Акустика

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Аку́стика (від грец. ακουστικός — слуховий, такий, що слухається), у вузькому значенні слова — вчення про звук, тобто про пружні коливання та хвилі в газах, рідинах і твердих тілах, чутних людським вухом (частоти таких коливань знаходяться в діапазоні від 16 Гц до 20 кГц); у широкому сенсі — область фізики, що досліджує властивості пружних коливань та хвиль від найнижчих частот (умовно від 0 Гц) до гранично високих частот 1012 — 1013 Гц, їхньої взаємодії з речовиною і застосування одержаних знань для вирішення широкого кола інженерних проблем. Терміном акустика зараз також часто характеризують систему звуковідтворюючої апаратури.

Знання закономірностей генерації хвиль, їх поширення в різних середовищах мають велике значення практично в усіх сферах людської діяльності. Для загальної характеристики ролі акустики в сучасному світі дуже вдалим є створене відомим вченим-акустиком Брюсом Ліндсеєм (R. Bruce Lindcey) графічне зображення, відоме як «Ліндсеєвське колесо акустики» (https://acoustics.byu.edu/content/what-acoustics). В ньому виділено чотири області людської активності, в яких акустичні знання мають важливе значення: Науки про життя, Науки про Землю, Мистецтво, Інженерія. Центральне місце в цій діаграмі займають фундаментальні дослідження в акустиці, об'єднані загальною назвою фізична акустика.

Коротка історична довідка[ред.ред. код]

Змістовний аналіз історії формування акустики, як наукової дисципліни, представлено в багатьох роботах різних авторів. Відносно короткий, але глибокий опис історії становлення акустики представлено в роботі відомого акустика Р. Б. Ліндсея (R. Bruce Lindsey)[1]. Формування акустики, як важливого розділу сучасної фізики, почалося задовго до початку писемної історії. Розуміння того, що звук виникає при при співударі та коливаннях різних тіл є одним із найдревніших елементів в формуванні наукової картини світу. Важливим етапом в розвитку акустики було виникнення музики. Деякі археологічні знахідки вказують на виготовлення людиною музикального інструменту із кістки з боковими отворами майже сорок тисяч років тому. Вважають, що перші наукові дослідження природи музикальних звуків були проведені грецьким філософом Піфагором в 6 столітті до нашої ери. Його дослідження пов'язані з вивченням звуків, що виникають при коливанні струн. Ним були встановлені залежності між довжиною струни та частотою коливань. Дослідження коливань струн продовжувалось в школі Піфагора і встановленні кількісні співвідношення між частотами приємних для слуху звуків було включено в загально філософські схеми гармонії в світі. Важливі спостереження відносно джерел музикальних звуків зафіксовано в Китаї. Майже за дві тисячі років до Нашої Ери тут було виготовлено систему джерел звуку, що відповідали поділу октави на дванадцять інтервалів[2]. В цій монографії вказано на перші акустичні рекомендації при будівництві житла, що містяться в Старому Заповіті.

Дослідження особливостей сприйняття музики слухачами стимулювало пошук відповідей на певні питання, що відносилися до фізики звуку. Так,Аристотелю належить досить чітке висловлювання відносно процесу поширення звуку, як передачі стану стиснення-розтягу від однієї частинки повітря до іншої. Йому належать також змістовні міркування відносно природи людського голосу[3] Однак, він же висловлював хибне твердження про те, що високочастотні звуки поширюються швидше, ніж низькочастотні.

Початок нашої ери характеризується досягненням розуміння таких акустичних явищ, як інтерференція, відбиття звуку, луна. На основі знання про ці явища формувалися рекомендації для будівництва античних театрів, відносно акустичних властивостей яких зараз поширюється багато легенд. В наш час виконано детальний аналіз акустичних властивостей відкопаного археологами в 1881 році театру в Епідаврі, що вміщав до 15 тисяч глядачів. Дослідження показали, що архітектура театру формувала певний акустичний фільтр, що перешкоджав поширенню низькочастотних складових звуку (основні компоненти заважаючого шуму) і сприяв поширенню високочастотних складових[4]. Зараз серед акустиків можна почути думку, що така акустична знахідка була випадковою і потім повторювалася при спорудженні інших театрів. Наукові основи архітектурної акустики були створені лише на початку двадцятого століття.

Оцінка ролі піфагорійців в різних джерелах різниться і, часом, базується на міфах, а не реальних свідоцтвах. Формування сучасних уявлень про особливості коливальних процесів розпочалося роботами Галілея. Ним виконано значний обсяг досліджень по встановленню зв'язку між фізичними та геометричними параметрами струн та характеристиками звуків, що виникають при їх коливанні. Ним встановлено явище ізохронізму (незалежності періоду коливань маятника від амплітуди, хоча помилково вважав, що це явище має місце при будь-яких значеннях амплітуд. Ним також спостерігалося явище резонансу. Взагалі, кінець шістнадцятого і початок сімнадцятого століть знаменує період значного інтересу до питань коливання струн, Крім Галілея дослідження проводилися і іншими дослідниками, які інколи своїми публікаціями випереджали Галілея. Суттєві результати стосовно встановлення зв'язку між частотою та висотою тону було отримано французьким вченим Ж. Свером (Sauver Joseph). Саме він ввів в 1701 році в наукове використання термін акустика[5] Ним також були введені терміни вузлові точки та гармонічні тони.

Як і стосовно інших розділів фізики можна сказати що з виходом в світ Ньютонівських«Начал» почалася нова ера в розвитку акустики. Дослідження проводилися на основі нових методологічних засад стосовно пошуку наукових результатів та їх обґрунтування.

Велике значення для подальшого розвитку математичних методів дослідження в акустиці мала Дискусія про струну, в якій узяли участь Даніель Бернуллі, Жан Лерон д'Аламбер, Леонард Ейлер, Жозеф-Луї Лагранж. Предметом дискусії було два розв'язки хвильового рівняння для струни — розв'язку д'Аламбера в вигляді біжучих хвиль, та розв'язку Бернулі в вигляді суперпозиції стоячих хвиль. Ейлер заперечував можливість представити будь-яку функцію в вигляді ряду по тригонометричним функціям. Дискусія частково була пов'язана з тим, що її учасники в той час не знали техніки обчислення коефіцієнтів розкладу[6]. Обґрунтування розв'язку Бернулі було одержано лише Фур'є. Дискусія відіграла значну роль в розвитку методів розв'язання не лише задач акустики, а розвитку математичної фізики в цілому.

Певним підсумком розвитку акустики в ХVIII столітті можна вважати появу першої монографії з акустики[7], автором якої був видатний експериментатор Ернст Хладні. Перше видання цієї книги відноситься до 1802 року. Багато з представлених в ній спостережень знайшли наукове пояснення значно пізніше. Сама книга виглядає дещо специфічно. В ній немає жодної формули, без яких в подальшому в акустиці уже неможливо обійтися. Використання математичного моделювання на основі точно визначених фізичних понять стало потужним засобом одержання нових знань в акустиці завдяки працям Ейлера, Лагранжа, д'Аламбера і Д. Бернулі. Підсумком процесу інтенсивного розвитку акустичних досліджень в XIX столітті був друк (1877—1878 рр.) двотомного видання Теорія звуку лорда Релея. Цей твір існує в російськомовному перекладі і до цих пір є важливим джерелом знань при вивченні акустики (див. список літератури).

Активна дослідницька діяльність багатьох вчених в XIX та XX століттях сформувала сучасну акустику, як науку, що охоплює широку гаму явищ, пов'язаних з генерацією, поширенням хвиль та взаємодією їх з середовищем. В акустику прийшла диференціація. Сформувалися окремі наукові та інженерні дисципліни. Історичні дослідження теж стали зосереджуватися на окремих дисциплінах. При цьому детальний історичний аналіз часто породжує видання великого об'єму. Так, аналіз історії розвитку російської гідроакустики[8] зайняв більше тисячі сторінок. Короткий аналіз історичних фактів в розвитку сучасної акустики по різним напрямкам міститься в акустичній енциклопедії[9]

Визначення швидкості звуку[ред.ред. код]

Уявлення про скінченну величину швидкості звуку на основі спостереження за явищем луни та затримки появи звуку після пострілу гармати сформувалось досить давно. Історія ж визначення величини швидкості звуку в повітрі є досить довгою і повчальною. Відносно піонера в вимірюванні швидкості звуку в літературі є певні розбіжності. Називаються призвіща Гасенді та Мерсенна. Обидва дослідники аналізували постріл гармати, фіксуючи інтервал часу після сполоху при пострілі і часом приходу звуку. За даними Гассенді швидкість становила 478 м/c. Морен одержав дещо точнішу оцінку — 450 м/c. Порівняння спостережень за пострілами гармати і рушниці давали можливість Гассенді зробити висновок про незалежність швидкості звуку від частоти. Серію ретельно організованих дослідів з вимірювання швидкості звуку було проведено в Флорентійській академії досліду (Академія дель Чіменто) до 1660 року. Виміряна по звуку від гармати на відстані в одну милю швидкість звуку дорівнює 1077 (1 метр дорівнює 3,07843… Паризьких футів). Одержана оцінка швидкості 350 м/c залишалась еталоном для експериментаторів більше століття[10]. Слід відмітити, що такі вимірювання не враховували зміну стану атмосфери (температуру, тиску, вологість, швидкість вітру). Вивчення впливу цих факторів почалося лише в XIX столітті.

Події з встановленням величини швидкості звуку почали розвиватися цікаво після того, як І. Ньютон в своїх «Началах» (1687 р.) навів теоретично отримане значення швидкості звуку. Це стимулювало велику кількість додаткових експериментів. Інтрига полягала в тому, що наведена Ньютоном величина була меншою від експериментальних даних на 20 %. В наступних виданнях своїх «Начал» Ньютон конструював складні моделі повітря, безуспішно намагаючись усунути різницю. Оцінюючи ситуацію Лагранж песимістично зауважив, що вірне визначення швидкості звуку не під силу тодішній науці. Після декількох спроб одержати коректну оцінку швидкості звуку свою невдачу в 1759 році визнав Л. Ейлер. Багато цікавих деталей стосовно історії визначення швидкості звуку приведено в дослідженні[10]. В заголовок статті винесено ім'я Лапласа, який в 1827 році з'ясував причину розбіжностей і встановив коректне теоретичне значення швидкості звуку. Причина розбіжностей полягала в тому, що Ньютон вважав процес поширення звуку ізотермічним (температура частинок повітря залишається незмінною при поширенні звукової хвилі). Однак в дійсності це не так. За підрахунками, приведеними в[11] для розмовних звуків зміна температури частинок повітря становить мільйонну частинку градуса Цельсія. Але саме такі зміни зумовлюють вказану вище розбіжність між значеннями швидкості звуку. Цей приклад дуже повчальний — при оцінці відносного значення фізичної величини Велика вона, чи мала) не можна покладатися на повсякденний досвід. Масштаб для такої оцінки слід знаходити в характеристиках досліджуваного процесу. Подальші етапи в оцінці швидкості звуку можна знайти в роботі[12]

Основні математичні моделі акустики[ред.ред. код]

Побудова математичних моделей для дослідження хвильових та коливальних процесів в газах, рідинах та твердих деформівних тілах здійснюється по загальній, прийнятій в фізиці схемі. На першому етапі формується модель середовища, в якому планується вивчати акустичні процеси. Формується система параметрів, що описують стан цього модельного середовища, В термінах цих параметрів записуються закони збереження (кількості руху, моменту кількості руху, енергії та інші) Ці співвідношення є важливою складовою математичної моделі процесу. Однак, в таких співвідношеннях кількість невідомих перевищує кількість рівнянь (формується незамкнена система). Щоб одержати замкнену систему необхідно ввести додаткові співвідношення, що задають фізичні властивості середовища в вигляді певних зв'язків між параметрами, що описують стан системи. Це може бути, наприклад, співвідношення між густиною та тиском, яке використовується при моделюванні рідини чи газу як ідеальна стислива рідина. Часто акустичне середовище можна моделювати як суцільне. Для такого випадку всі деталі процесу математичного моделювання обговорюються в спеціальній літературі[13]

Велику кількість задач акустики вдається вирішити використовуючи модель ідеальної стисливої рідини. В цьому випадку зміна стану середовища, в якому поширюється збурення, описується трьома фізичними величинами — тиском p(x,y,z,t), вектором швидкості частинок середовища — \vec v(x,y,z,t) функцією s(x,y,z,t)=\frac{\rho(x,y,z,t)-\rho_0}{\rho_0}, яка характеризує зміну густини середовища при проходженні хвилі. Тут \rho_0 є початкова густина незбуреного середовища. Другою фізичною характеристикою середовища є об'ємний модуль пружності \chi. Після введення цієї величини можна записати рівняння стану для ідеальної рідини в вигляді p=\chi s. Це найпростіше рівняння, що зв'язує значення тиску та зміни густини середовища. Більш складні залежності розглянуто в розділі нелінійна акустика.

Значення цієї характеристики \chi залежить від характеру процесу деформації. Тому в фізиці розрізняють модулі пружності для адіабатичного і ізотермічного процесів. Для повітря адіабатичний модуль в 1,4 рази більший ніж ізотермічний. Детально процедура одержання основного рівняння акустики ідеальної рідини приведена в[14]. Це рівняння називається хвильовим рівнянням і часто записується в одній із двох форм, або відносно функції потенціалу швидкості \varphi(x,y,z,t), або відносно функції тиску p(x,y,z,t). В інварінтній формі це рівняння має вигляд

\Delta\varphi=\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2\varphi}{\partial t^2}

 

 

 

 

(1)

Тут \Delta — диференціальний оператор, відомий як оператор Лапласа. Якщо відомо вираз для функції потенціалу \varphi(x,y,z,t) величини швидкості частинок середовища та тиску обчислюються за формулами \vec v(x,y,z,t)=-grad\varphi, p(x,y,z,t)= \rho_0\frac{\partial\varphi}{\partial t}. В багатох випадках для вирішення прикладних задач використовують модель ідеальної неоднорідної рідини, коли незбурена густина та модуль об'ємної пружності вважаються функціями координат. Саме таку модель необхідно використовувати при вивченні акустичних явищ в океані, просторова зміна вказаних параметрів відіграє велику роль при формуванні звукових полів.

При описі хвильових процесів в твердих деформівних тілах часто використовується модель ідеального пружного тіла. В таких тілах при поширенні збурень виникають не лише деформації розтягу-стиску, як в ідеальній рідині, а й деформації зміни форми. Відповідно кажуть, що в пружному тілі можуть поширюватися поздовжні та поперечні хвилі. Така назва пов'язана з тим, що в випадку плосккої хвилі для хвиль першого типу вектор швидкості частинок середовища паралельний напрямку поширення хвилі, а для другого — перпендикулярний. Швидкості поширення цих двох типів хвиль суттєво різняться.

Фізичні властивості ідеально пружного тіла визначаються трьома величинами: густиною \rho, модулем пружності (моделем Юнга) Eта коефіцієнтом Пуасона \nu. Часто замість модуля пружності та коефіцієнта Пуасона використовують дві інші величини — коефіцієнти Ляме \lambda, \mu, що виражаються через модуль пружності і коефіцієнт Пувсона співвідношеннями \lambda=\frac{\nu E}{(1+\nu)(1-2\nu)} та \mu=\frac{E}{2(1+\nu)}.

Напружений стан пружного тіла характеризують тензором напружень. Деформації елементпрного об'єму описують тензором деформацій. Рівняння стану ідеально пружного тіла задається законом Гука, яким встановлюється зв'язок між компонентами тензорів напружень та деформацій. З урахуванням цього закону записуються співвідношення другого закону Ньютона для елементарного об'єму пружного тіла. З використанням диференціальних операторів градієнта, ротора та дивергенції це співідношення набуває вигляду

(\lambda+2\mu)grad div \vec u-rot rot  \vec u=\rho\frac {\partial^2\vec u}{\partial t^2}

 

 

 

 

(2)

Особливо важливу роль при створенні джерел звуку в гідроакустичних приладах, пристроях неруйнівного контролю, різного роду акустичних сенсорів, в ультразвуковій техніці відіграють матеріали, проявляють п'єзоефект. З їх використанням створюються пристрої, що перетворюють електричні коливання в механічні (зворотний п'єзоефект), або при механічних деформаціях генерують електричні заради. Такі матеріали часто працюють в таких умовах, що можуть розглядатися як ідеально пружні. Однак рівняння стану таких матеріалів зв'язують механічні напруження з деформаціями та характеристиками електричних полів і мають досить складний вигляд. Крім того, в таких матеріалах механічні властивості залежать від напрямку деформації (анізотропія), що також ускладнює форму співідношень в рівняннях стану. Повний опис рівнянь стану та приклади розв'язання задач динамічного деформування елементів конструкцій із таких матеріалів приведено в[15].

Фізична акустика[ред.ред. код]

Фізична акустика — це частина акустики, в якій ведуться дослідження взаємодії акустичних хвиль з твердими, рідкими та газоподібними середовищами на макро та мікро рівнях. В рамках фізичної акустики виділяються два клами проблем. За формулюванням відповідних математичних моделей і цілей дослідження звукових полів їх можна поділити на прямі і обернені задачі. В прямих задачах вважають відомими властивості речовини, в якій поширюються звукові збурення. Питання ставиться про вивчення впливу властивостей середовища (пружного тіла, газу, рідини, кристалічної решітки) на властивості хвиль. В задачах обернених метою дослідження є пошук інформації про внутрішні властивості середовища, в якому поширюється звук, по властивостям звуку, які вдається спостерігати.

Основні розділи акустики[ред.ред. код]

На вказаному вище «колесі акустики» Ліндсея вказано 10 основних напрямків наукової та інженерної активності в акустиці. Це «колесо» було створено в 1964 році. Акустика, як розділ фізики, знаходиться в постійному розвитку. З того часу в ній сформувалися нові напрямки, в рамках яких інтенсивно ведуться фундаментальні та прикладні дослідження, результаи яких є основою для створення дійсно революційних технологій. В цьому розділі наведемо короткі характеристики основних напрямків, що визначають обличчя сучасної акустики.

Фізіологічна та психологічна акустика[ред.ред. код]

В процесі сприйняття звуку людиною можна виділити три етапи. Перш за все, енергія звукового сигналу, що досягає голови, має бути трансформована в енергію механічних коливань елементів вуха. Потім, механічні коливання мають бути перетворені в нервові імпульси, які вже можуть бути передані в мозок. І нарешті, переданий в мозок сигнал аналізується центральною нервовою системою для оцінки одержаної інформації. Процеси, що відбуваються на перших двох етапах визначаються фізіологічними (анатомічними) особливостями слухової системи людини і вивчаються в рамках фізіологічної акустики. Особливості сприйняття і аналізу нервових імпульсів мозку є предметом досліджень в рамках психологічної акустики, або психоакустики. Фізіологічна акустика — розділ акустики, що об'єднує дослідження особливостей сприйняття і відтворення звуків мовно-слуховим апаратом людини. Результати досліджень дають важливу інформацію, як для медиків, при аналізі дефектів слуху, так і для інженерів для створення технічних засобів та умов комфортного сприйняття звуків людиною До розділу фізіологічна акустика відносять дані про граничні рівні інтенсивності хвильових збурень та їх частотний діапазон, при яких у людини виникають слухові відчуття.

Збурення в повітрі, що визначаються як звук можуть характеризуватися дуже широким діапазоном частот та тисків. Однак, далеко не всі вони сприймаються людським вухом. На малюнку виділено ту область частот і тисків, В якій людське вухо сприймає звук. В цій області також виділені підобласті частот і тисків, характерних для мовного спілкування і співу (англ. voice) та музичних творів (англ. music). Слід мати на увазі, що побудова границь цієї області є результатом усереднення вимірювання для багатьох людей. Для кожної конкретної людини можуть спостерігатися відхилення в визначенні області сприйняття звукових подразнень.

Нижня границя області визначає для кожної частоти значення тиску в звуковій хвилі, при якому виникає слухове відчуття. Ця крива визначає поріг чутності (англ. listening threshold). Збурення, параметри яких відносяться до області нижче від цієї кривої людським вухом не чутні. Як видно найбільш чутливим середньо статистичне вухо є в області частот біля 3000 Гц. Що стосується частотного діапазону чутності, то для такого середньо статистичного вуха сприймають діапазон від 20 Гц до 20000 Гц (20 кГц). Звуки з нижчою частотою (інфразвук) та з вищою — (ультразвук) не сприймаються людським вухом як звук.

Верхня границя виділеної області визначає, по суті, максимально можливі амплітуди коливань механічної системи людського вуха, які вона здатна перетворювати в відповідні нервові імпульси. Вищі значення амплітуд коливань уже викликають больові відчуття і тому ця крива визначається як больовий поріг (англ. pain threshold). Вона значно менше змінюються з частотою ніж крива порогу чутності.

Область звуків на площині тиск-частота, що сприймаються людським вухом. Виділені області характерних звуків. вісь справа проградуйована відносно величини щільності потоку енергії в звукових хвилях з відповідним значенням величини тиску.

Процес сприйняття звуків людиною не процесом чисто механічної реєстрації подразнень слухової системи. Значну роль в сприйнятті звуків відіграє центральна нервова система. Дві подібні з фізичної точки зору послідовності звуків з різними частотними складовими сприймаються людиною по різному, з виділенням приємної (консонанс) і неприємної (дисонанс) послідовності. Величезне значення при сприйнятті звуків людиною має «акустичний» життєвий досвід, уподобання і рівень культури. З особливостями обробки в мозку акустичної інформації пов'язані ефект маскування та локалізація джерела звуку. Особливості сприйняття музикальних тонів та музикальних творів у цілому вивчаються в рамках музикальної психології. Певні результати таких досліджень використовуються у методі музикотерапії.

Електроакустика[ред.ред. код]

Електроакустика — розділ акустики, що пов'язаний з розробкою та створенням різних електричних пристроїв, що призначені для генерації, реєстрації, сприйняття та зберігання звукової інформації. Перші електроакустичні прилади були створені в останній чверті XIX століття. В 1976 році було створено електромагнітний телефон, а в 1878 році — вугільний мікрофон. В подальшому з використанням таких фізичних явищ як електростатична та електромагнітна індукція, п'єзоефект, магнітострикція, термоелектричний ефект вдалося створити широку палітру приладів, що дозволяють перетворювати звукові коливання в електричні і навпаки, зберігаючи всі характеристики таких коливань. Створення таких пристроїв зумовлено не лише акустикою чутного частотного діапазону. Такі пристрої мають широке використання в гідроакустиці, системах неруйнівного контролю, в акустичних медичних приладах, де використовується дуже широкий діапазон частот[16]. Важливим напрямком в сучасній електроакустиці є створення акустичних мініатюрних пристроїв в мобільних телефонах, програвачах та планшетних комп'ютерах.

Після другої світової війни почався бурхливий розвиток електроакустики після появи технології магнітного запису звуку. Створення комп'ютера призвело до впровадження цифрових технологій в процеси запису та відтворення звуків, особливо музики. З'явився новий різновид музики —комп'ютерна музика. Електронна обробка музичних сигналів визначила появу електронної музики. Зараз любителі прослухування музики в домашніх умовах живуть в атмосфері дуже поширеної реклами технічних засобів відтворення звуку. Існують чисельні пропозиції Hi-Fi та Hi-End техніки, яка має забезпечувати відтворення звуку до його реального звучання під час запису. Відносно ефективності затрат виробників і покупців такої апаратури існують певні сумніви. Вони об'єктивно пов'язані з тим, що оцінку якості звуку не можна провести у відриві від врахування акустичних властивостей приміщення, в якому відбувається прослуховування. Якість звучання може залежати навіть від положення слухача в кімнаті чи залі.

Детальніше дивитися Електроакустика

Гідроакустика[ред.ред. код]

Терміном гідроакустика визначаються всі акустичні дослідження, пов'язані з вивченням особливостей генерування та поширення звуків в різних водоймах та практичне використання знань про ці особливості. Оскільки електромагнітні хвилі сильно затухають в солоній морській воді акустичні хвилі є єдиним засобом дистанційного зондування в морях та океанах. Ця обставина зумовила інтенсивний розвиток такого напрямку, як акустична океанографія[17]. З точки зору поширення звуку океанічне середовище виявилося досить складним. Перш за все, в ньому спостерігається зміна в досить широких межах (просторових та часових) таких фізичних параметрів, як температура, тиск солоність, насиченість газами. Значний вплив на формування звукового фону в океані можуть робити живі організми. Все це впливає на характеристики звукових полів. Тому важливою складовою гідроакустики є така наукова дисципліна, як акустика океану[18].

Див. також Гідроакустика

Медична акустика[ред.ред. код]

Знання з різних розділів акустики широко використовуються, як для діагностичних цілей так і з метою організації терапевтичних процедур. При цьому використовуються звукові сигнали в широкому діапазоні частот. Значна увага у медичній акустиці приділяється також вивченню дії на організм людини звуків та вібрацій різної інтенсивності.

Докладніше: Медична акустика

Архітектурна акустика[ред.ред. код]

Не дивлячись на те, що історія акустики досить багата прикладами споруд (особливо культових храмів), відкритих театрів, які славляться прекрасними умовами для сприйняття звуків людиною, формування наукової дисципліни, яка б давала обґрунтовані систематичні рекомендації для досягнення таких звукових якостей, відбулося лише на початку XX століття. Цей напрям в акустиці визначений як архітектурна акустика.

Якість сприймання звуку в приміщенні, в основному, визначається такими факторами як розмір, форма, акустичні властивості поверхні, рівень стороннього шуму. Причому всі ці параметри вибираються в залежності від того, яким є основне джерело звук. Відомий випадок,Театр у Байройті, будівництва спеціального музикального театру для музики певного композитора — Р. Вагнера. Зараз в архітектурній акустиці відпрацьовано технології, що забезпечують досягнення бажаних значень параметрів, які визначають акустичну якість приміщення у відповідності до його призначення. Останнім часом, в зв'язку з широким розповсюдженням домашніх кінотеатрів та зростанням якості акустичних систем, що доступні широкому загалу, в архітектурній акустиці сформувався особливий розділ —акустика квартирної кімнати. Аналіз особливостей підходу до вирішення акустичних проблем таких приміщень приведено, наприклад, в[19].

Музична акустика[ред.ред. код]

Музична акустика є розділом акустики, в якому досліджується широке коло питань фізики музики, фізики музичних інструментів та особливості сприйняття музики людиною. В цьому останньому аспекті можна говорити про тісний зв'язок музичної та психологічної акустики, хоча в даному випадку мова йде про сприйняття людиною особливого — музичного звуку. Особливості таких звуків визначаються тим, що музика—є мистецтвом організації вокальних, інструментальних звуків та їх комбінації для досягнення певних естетичних та емоційних ефектів у слухача. Постановка такої мети відкриває широкі можливості для суб'єктивних оцінок музикальних творів. Зміст таких оцінок визначається культурною атмосферою, в якій виховувався слухач, рівнем його індивідуальної культури і індивідуальними особливостями його слухового сприйняття. Незначна кількість людей від природи наділяється абсолютним слухом, значна кількість людей мають музичний слух, для деяких людей при оцінці слуху використовують класичне «ведмідь на вухо наступив».

Музична акустика формує широке поле міждисциплінарних досліджень для фахівців, що вивчають проблеми генерації музичних звуків, передачу таких звуків від джерела до слухача і сприйняття таких звуків слухачем. В дослідженнях з музичної акустики беруть участь фахівці з різних дисциплін —фізики, музиканти, психологи, фізіологи, оториноларингологи, електроінженери і інженери механіки, архітектори. Особливе значення цього розділу акустики полягає в тому, що при вивченні проблем музичної акустики формується міст між наукою і мистецтвом[20].

Серед широкого кола проблем, що досліджуються в музичній акустиці значна увага приділяється вивченню фізичних процесів, що дозволяють випромінювати потрібні звуки різними музикальними інструментами. Такі дослідження об'єднані в спеціальному розділі, що називається фізика музичних інструментів. Одна із популярних тем в цьому розділі, наприклад, є тема; Чому звучить скрипка?. Відповідь на це питання можна знайти в книзі[21]. Опис акустичних властивостей багатьох музикальних інструментів надано в Інекрнет-виданні[22].


При опису сприйняття звуків слухачем використовують чотири характеристики: висота звуку,тембр,гучність, тривалість. При фізичному аналізі звуків встановлюється зв'язок між цими якісними характеристиками звуків та характеристиками звуків, що використовуються в акустиці: частота,інтенсивність,спектр, часовий інтервал.

Значний обсяг інформації стосовно певних аспектів музичної акустики приведено на сайті [23]. Тут наведено тести для індивідуальної перевірки слуху.

Докладніше: Музична акустика

Екологічна акустика[ред.ред. код]

Поява цього напрямку в сучасній акустиці є прикладом змін в цій науці, що відповідають змінам умов існування людства. Сам по собі великий інтерес до проблем екології, тобто проблем взаємодії людини з навколишнім середовищем, є характерною ознакою сьогодення. Дослідження стосовно негативного впливу таких акустичних факторів, як шум і вібрації ведуться в акустиці і в медицині досить давно. Однак, боротьба з негативними наслідками такого впливу частіше всього представлялася проблемою окремих професійних груп. Саме розуміння того, що проблема існування в «акустично забрудненому» світі стає загальнолюдською стимулювало появу такого напрямку в екології. В 1993 році було створено Таку міжнародну організацію як Світовий Форум акустичної екології (англ. World Forum for Acoustic Ecology), який своєю метою визначив вивчення наукових, соціальних та культурних аспектів впливу природного та створеного людиною звукового середовища. З 2000 року регулярно видається Журнал акустичної екології (англ. The Journal of Acoustic Ecology)[24]

Біоакустика[ред.ред. код]

Крім людини багато інших живих істот використовують звуки для спілкування та оцінки стану навколишнього середовища. Вивченням особливості генерації звуків живими істотами, сприйняття ними звуків, характерних особливостей використаних звуків займаються в такому розділі акустики, як біоакустика. Спостереження за живим світом дозволяє зробити певні узагальнення, Можна констатувати, що малі за розміром істотивживають високочастотні звуки, а великі -низькочастотні. Однак є і винятки — досить великі морські тварини -дельфіни користуються високочастотним ультразвуком. В цілому ж властивості використовуваного звуку визначаються механізмом його генерації. І ці різні механізми вивчаються в біологічній акустиці[9].

Аероакустика[ред.ред. код]

Аероакустика це розділакустики, в якому вивчають механізми генерації та властивості звуків, що генеруються потоком повітря, або збуреннями в повітрі, породженими рухом в повітрі різних об'єктів. Потік повітря здатен генерувати звук в тому випадку, коли в ньому утворюються і взаємодіють певного типу збурення (турбулентні або вихорові утворення), здатні забезпечити передачу кінетичної енергії потоку в енергію звукової хвилі. Процес такої передачі досить складний оскільки рух частинок середовища в потоці і в хвилі це два принципово різні рухи. В першому випадку маємо перенос маси, т. б. частинки суттєво зміщуються в просторі. При поширенні ж хвилі відбувається лише перенос стану — частинки середовища здійснюють лише коливання поблизу положення стійкої рівноваги.

Ультразвук[ред.ред. код]

Ультразвук визначають як звукові хвилі в газах, рідинах та твердих тілах, спектр яких містить складові з частотами вище 20 кГц. Виділення досліджень звукових хвиль такого діапазону частот в окремий розділ акустики зумовлено, перш за все, надзвичайно широким використанням ультразвуку при вирішенні технологічних задач.

Докладніше: Ультразвук

Нелінійна акустика[ред.ред. код]

При описі основних матемаичних моделей акустики ідеальної стисливої рідини було представлено лінійне рівняння (1).При одержанні цього рівняння було зроблено два принципових припущення. Перше з них, кінематичне припущення, базувалося на спостереженнях, що вказували на малість швидкостей руху точок середовища порівняно зі швидкістю звуку (акустичне число Маха). Це дійсно так, оскільки навіть для інтенсивностей звуку, що відповідають больовому порогу слухової системи людини, число Mаха дуже мале в порівнянні з одиницею  M=0.0014 Тоді в рівняннях руху можна було нехтувати певними малими складовими.

Друге зроблене припущення було пов'язане з лінійністю рівняння стану

 p=\chi s

Для багатьох випадків таке припущення виявилося допустимим і в рамках фізично лінійної моделі одержано розв'язок величезної кількості задач акустики. Однак, експериментальні сдослідження показали, що при певних умовах спостерігаються розбіжності між експериментальними даними та результатами розрахунків. Часто ці розбіжності можна усунути, коли рівняння стану ідеальної рідини прийняти в вигляді

p=As+\frac{1}{2}Bs^2

Тут ведено позначення, які традиційно використовуються в літературі по нелінійній акустиці, а співвідношення між A i B визначають міру нелінійності акустичного середовища. Як приклад можна вказати, що для двоатомних газів B/A=0.4, a для дистильованої води B/a=5.0. Значення цього співідношення важливе для обробки результатів ультразвукового зондування людських органів. Ці значеня для різних речовин та тканин людських органів можна знайти в[25].

Як наслідок нелінійності в хвильових рухах проявляються такі ефекти, як акустична левітація, радіаційний тиск, акустичні течії. З використанням нелінійних ефектів створюються параметричні антени і приймачі в гідроакустиці. При ультразвуковому діагностуванні внутрішніх органів врахування нелінійності дає можливість підвищити рівень контрастності акустичних зображень. Проявом ефекту нелінійності є явища формування хвиль цунамі та руйнування хвиль при наближенні до берега. З деталями математичного опису нелінійних ефектів можна познайомитися в[14].

Геоакустика[ред.ред. код]

Геоакустика-- розділ акустики, що пов'язаний з вивченням властивостей інфразвукових, звукових та ультразвукових хвиль в земній корі, гідросфері та атмосфері. Цей розділ акустики є складовою такої загальної дисципліни в науках про землю, геофізика. Оскільки акустика атмосфери та акустика океану виділилися в окремі підрозділи, терміном геоакустика визначають лише область, пов'язану з вивченням хвиль у земній корі Джерелом таких звуків можуть бути, як природні явища (землетруси, зсуви, виверження вулканів, падіння метеоритів та ін.), так і спеціальні вібраційні пристрої і різного роду вибухи. В обох випадках визначення характеристик пружних хвиль в земній корі викликає великий інтерес. Хвилі, що генеруються землетрусами, несуть важливу інформацію про будову земної кори та деформаційні процеси, що в ній відбуваються на недоступних для безпосереднього спостереження глибинах. Саме ця обставина дозволила свого часу ефективно фіксувати факти проведення підземних ядерних вибухів[26].

Докладніше: Геоакустика

Акустика в Україні[ред.ред. код]

Перші дослідження, пов'язані з вивченям закономірностей поширення хвильових збурень виконано в Україні професором Новоросійського університету (Одеса) Миколою Олексійовичем Умовим. В його дослідженнях значне місце займала робота по встановленню кількісних оцінок величини енергії, що переноситься хвильовим рухом. В 1874 році він захистив докторську дисертацію на тему «Рівняння руху енергії в тілах»[27]. Ним було виведено вираз для векторної характеристики потоку енергії. Аналогічний вираз для електромагнітних хвиль був запропонований Дж. Г. Пойнтінгом (John Henry Poynting) На десять років пізніше. Зараз в англомовній літературі для вектора потоку енергії в хвильовому русі використовують назву «Вектор Пойнтинга». В російсько і україномовній літературі використовується термін «Вектор Умова- Пойтінга».

В цьому ж Новоросійському університеті провадив дослідницьку роботу відомий фізик Мандельштам Леонід Ісаакович. Пічля закінчення Одеської гімназії він продовжив навчання в Німеччині. В 1914 році повернувся в Одесу і був запрошений приват-доцентом в університет. В 1918 році став професором новоствореного Одеського політехнічного інституту. З 1922 року працював в різних наукових та освітніх закладах Росії. Л. І. Мандельштам був багатогранним вченим і видатним педагогом. Його книга[28] до сих пір є важливим джерелом знань для студентів-фізиків.

Значний вплив на розвиток досліджень з акустики в Одеському політехнічному інституті мала діяльність професора Андрія Васильовича Кортнєва. Його робота в Інституті почалася з 1948 року і була пов'язана з дослідженням різних аспектів взаємодії потужного ультразвуку з різними об'єктами. В подальшому в університеті сформувався потужний колектив дослідників, які виконували значний обсяг досліджень по замовленню Військово-Морського флоту, спрямовані на створення засобів налаштування та контролю гідроакустичних станцій. Значний вплив на координацію та розвиток акустичних досліджень в Україні мав міжвідомчий збірник Акустика і ультразвукова техніка, редактором якого був А. В. Кортнєв. Ним була створена наукова школа акустиків в Одесі, яка плідно працює і зараз.

Початок досліджень з акустики в Києві пов'язано з ім'ям видатного вченого Л. Д. Розенберга. Свою дослідницьку діяльність він розпочав в лабораторії на Київськії кіностудії в 1930 році. Його перша робота стосувалася проблем архітектурної акустики в зв'язку з записом та відтворенням звуків при наявності реверберації. Його заслугою є організація колективу акустиків в Києві та створення кафедри акустики в Київському інституті кіноінженерів в 1936 році. І хоча київський період його діяльності тривав недовго — в 1938 році він очолив науковий колектив, який мав забезпечити вирішення акустичних проблем пнр будівництві унікальної споруди — «Двореца Советов» в Москві.[29]. І хоча прект не було реалізовано, робота над ним сприяла розвитку багатьох наково-технічних дисциплін, в тому числі і архітектурної акустики. Після відїзду Л. Д. до Москви створений ним колектив протягом 40 років очолював професор М. І. Карновський. Колектив плідно працбвав і продовжує працювати зараз, як кафедра акустики Національного технічного університету (КПІ). Значною заслугою Л. Д. Розенберга є редагування російсько мовного видання перших з великої серії томі Фізичної акустики, що була започаткована англійською мовою в видавництві Academic Press.

Визначний внесок в становлення досліджень з акустики внесли роботи визначного вченого О. О. Харкевича, який з 1944 по 1952 рік працював в Україні, спочатку у Львівській політехніці, а потім в інституті фізики НАН України. Він також читав лекції на кафедрі акустики Київського політехнічного інституту. Саме в цей час ним було написано класичну роботу «Анализ и спектры», яка багато разів перевидавалася. В 2009 році вийшло п'яте видання книги в серії книг з красномовною назвою «Классика инженерной мысли»[30].

Для вирішення широкого кола задач прикладної гідроакустики в 1956 році в Києєі було створено науково-технічний центр «Київський науково-дослідний інститут гідроприладів»(http://www.hydrodevices.kiev.ua/ru/). Для забезпечення центру кваліфікованими фахівцями в Київському політехнычному інституті було організовано підготовку гідроакустиків на кафедрі акустики під керівн6ицтвом професора М. І. Карновського. За роки діяльності в Інституті гідроприладів, разом з рядом промислових підприємств, було створено широку гаму акустичної техніки для військово-морського флоту СРСР.

Зараз дослідження в різних напрямках акустики проводяться в багатьох академічних інститутах та університетах України. На основі таких досліджень вирішуються важливі прикладні проблеми, включаючи розробку медичних приладів, технологій нерйнівного контролю, аналізу вдастивостей нових матеріалів, оцінки несучої здатності відповідальних конструкцій, забезпеченню комфортних умов в засобах транспорту та ін.

Примітки[ред.ред. код]

  1. R. Bruce Lindsey The Story of Acoustics. // The Journal of the Acoustical Socity of America, vol.39, issue 4, 1966, p.629-644
  2. D. R. Raichel The Science and Applications of Acoustics. — Springer, 2006, 660 p. — ISBN 0-387-30089-9
  3. Лосев А. Ф. История античной эстетики. Т.4. Аристотель и поздняя классика — М.: Искусство, 1975. — 672 с.
  4. Philip Ball Why the Greeks could hear plays from the back row // Nature, 23 March 2007, doi 10.138/news070319-16
  5. Храмов Ю. А. Савер Жозеф (Sauver Joseph) // Физики. Биографический справочник. Изд. 2-ое, Испр. и дополн. — М.: Наука,1983. — 400 с.
  6. Юшкевич А. П. История математики в 3-х томах. Том 3. Математика ХVIII столетия. — М.: Наука,1972. — С. 314—315.
  7. Chladni E. Die Akustik. Leipzig 1802, französische Übersetzung: Traite d’ acoustique, Paris 1809 und in: Neue Beiträge zur Akustik, Leipzig 1817
  8. O. F. Godin, D. R. Palmer History of Russian Underwater Acoustics. World Scientific,2008. — 1247 p. — ISBN 981-256-825-5
  9. а б Tomas D. Rossing (ed.) Springer Handbook of Acoustics. — Springer,2007. — 1182 p. ISBN 0-387-30425-0
  10. а б B.S.Finn Laplace and the Speed of Sound //ISIS, vol.55, No 1, 1964, pp.7-19.
  11. Исакович М. А. Общая акустика. — М.: Наука, 1973. — 496 с.
  12. Меркулов В. В мире звуков. Как добывается истина. // Наука и жизнь, 2007, № 5, С.104-107.
  13. Р. Темам, А. Миранвиль Математическое моделирование в механике сплошных сред. 2-е издание (електронное). — М.: БИНОМ.Лаборатория знаний, 2014. — 320 с. — ISBN 978-5-9963-2312-8
  14. а б Грінченко В. Т., Вовк І. В., Маципура В. Т. Основи акустики. — К.: Наукова думка, 2007. — 640 с. — ISBN 978-966-00-0622-5
  15. В. Т. Гринченко, А. Ф. Улитко, Н. А. Шульга Электроупругость. —Киев: Наукова думка,1989.—280 с.ISBN: 5-12-000378-8
  16. Римский—Корсаков А. В. Электроакустика. — М.: Связь, 1973. — 272 с.
  17. H. Medwin, C. S. Clay Fundamental of Acoustical Oceanography. Academic Press, 1990. — 718 p. — ISBN 0-12-487570-X
  18. Акустика океанической среды / Под ред. Л. М. Бреховских. — М.: Наука, 1989. — 222 с.
  19. Dr.Sound [Акустическая философия музыкальной комнаты.|http://doctor-sound.com.ua/?page=read&id=169]
  20. M.J. Crocker (Ed.)Encyclopedia of Acoustics, vol. 4, part XIV. — John Willey & Son,1997. — ISBN 0-471-18007-6
  21. Асламазов Л. Г., Варламов А. А. Удивительная физика. — М.: Добросвет,2002. — 236 с. — ISBN 5-7913-0044-1
  22. D.R. Lapp The Physics of Music and Musical Instruments|http://kellerphysics.com/acoustics/Lapp.pdf]
  23. [Music acoustics — sound files, animations and illustrations http://newt.phys.unsw.edu.au/music/] — University of New South Wales
  24. K.Wrightson An Introduction to Acoustic Ecology. // The Journal of Acoustic Ecology, 2000, vol.1, No 1, p.10-13.
  25. Beyer, R.T, 2008. The Parameter B/A. In Nonlinear Acoustics (eds. Hamilton, M. F., Blackstock, D. T.)
  26. Махонин Е. И. Украинская сейсмическая станция PS-45 на страже мира
  27. Умов Н. А. Уравнения движения энергии в телах. — Одесса: Типогр. Ульриха и Шульце, 1874. — 56 с.[http://nn.mi.ras.ru/?bi=171
  28. Л. И. Мандельштам, Лекции по теории колебаний. --Москва: Наука, 1972.--470 с.
  29. Подробный сайт о Дворце Советов
  30. А. А. Харкевич Анализ и спектры, Изд. 5-е. —Москва: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»,2009.—240с.ISBN:978-5-397-00256-1

Література[ред.ред. код]


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.