Акустика — раздел физики¶

Акустика — раздел физики, изучающий механические колебания и волны, возникающие в упругих средах (газах, жидкостях, твёрдых телах), а также их распространение, взаимодействие и восприятие. Термин происходит от др.-греч. ἀκουστική (τέχνη) — «слуховое искусство». Классическая акустика ограничивается частотами примерно до 10 кГц, но современная наука охватывает весь диапазон — от инфразвуковых колебаний (менее 20 Гц) до ультразвука (более 20 кГц) и гиперзвука (свыше 100 МГц).

¶История

Основы акустических знаний были заложены в Древней Греции. Пифагор (VI в. до н. э.) исследовал соотношения между длиной струны и издаваемым ею тоном, сформулировав закон музыкальных интервалов. Аристотель в трактате «О душе» связал звук с колебаниями воздуха и его восприятием слухом. В I в. н. э. Витрувий описал акустические свойства амфитеатров.

Первым фундаментальным трудом нового времени стала книга Мерсеннa «Универсальная гармоника» (1636), где были приведены первые измерения скорости звука в воздухе. Исаак Ньютон в «Математических началах натуральной философии» (1687) вывел формулу скорости звука в газах через модуль упругости и плотность. Леонард Эйлер разработал математический аппарат волновых уравнений. В XIX веке Феликс Савар и Огюст Кирхгоф установили закономерности излучения звука стержнями и пластинами, а Герман Гельмгольц в книге «Учение о слуховых ощущениях» (1863) объяснил механизм восприятия музыкальных тембров.

В XX веке акустика разделилась на ряд самостоятельных направлений. Развитие радиолокации и гидроакустики во время Второй мировой войны, создание ультразвуковой дефектоскопии, акустики твёрдого тела и электроакустики превратили акустику в прикладную инженерную дисциплину.

¶Основные понятия

Звук — это упругая волна, вызывающая в упругой среде механические колебания, воспринимаемые человеческим ухом. Основные параметры звука:

• Частота — число колебаний в секунду, измеряется в герцах (Гц). Человек слышит звук частотой примерно от 20 Гц до 20 кГц.
• Длина волны — расстояние между двумя соседними гребнями, связана со скоростью и частотой соотношением λ = v/f.
• Амплитуда — максимальное смещение частиц среды от положения равновесия; определяет громкость.
• Интенсивность (сила) звука — энергия, переносимая волной через единицу поверхности за единицу времени, измеряется в ваттах на квадратный метр. Оценочно воспринимаемая громкость измеряется в децибелах (дБ).

Скорость звука зависит от среды: в воздухе при 20 °C — около 343 м/с, в воде — около 1480 м/с, в стали — около 5000 м/с. В вакууме звук не распространяется, поскольку для его переноса необходима среда.

¶Разделы акустики

Современная акустика включает множество направлений:

• Физическая акустика — общие закономерности распространения и взаимодействия волн.
• Архитектурная (строительная) акустика — акустика помещений: реверберация, звукоизоляция, акустический дизайн концертных залов.
• Электроакустика — преобразование звука в электрический сигнал и обратно (микрофоны, громкоговорители, усилители).
• Ультразвуковая техника — применение ультразвука в дефектоскопии, медицине, навигации (гидролокация).
• Инфразвук — низкочастотные колебания, используемые в сейсмологии и метеорологии.
• Акустика твёрдого тела — распространение волн в кристаллах и твёрдых телах (фононы).
• Биоакустика — изучение звуков, издаваемых животными.
• Музыкальная акустика — физика музыкальных инструментов, строй, тембр.

¶Применение

Акустика применяется практически во всех отраслях техники и науки. В медицине ультразвук используется для диагностики (УЗИ) и хирургии. В промышленности — ультразвуковая сварка и дефектоскопия сварных швов. В военном деле гидроакустика (сонар) обеспечивает обнаружение подводных лодок. В архитектуре расчёт акустики залов — обязательный этап проектирования концертных и театральных помещений. В охране труда нормируется уровень шума на рабочих местах.

В СССР и России крупные школы акустики сложились в Московском университете, Ленинградском (Санкт-Петербургском) университете, Институте проблем механики РАН. Ведущий научный центр — Акустический институт имени Н. Н. Андреева, основанный в 1947 году.

¶См. также

• Ультразвук
• Инфразвук
• Децбел
• Электроакустика
• Архитектурная акустика

¶Источники

• Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Гидродинамика («Теоретическая физика», т. 6).
• Брейдо И. Л., Гурвич А. С. Общая акустика.
• Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров.
• Большой энциклопедический словарь.