Акустическая инженерия (также известная как акустическая инженерия ) — это отрасль техники, занимающаяся звуком и вибрацией . Сюда входит применение акустики , науки о звуке и вибрации, в технологии. Инженеры-акустики обычно занимаются проектированием, анализом и контролем звука.
Одной из целей акустической инженерии может быть снижение нежелательного шума, которое называется контролем шума . Нежелательный шум может оказать существенное воздействие на здоровье и благополучие животных и людей, снизить успеваемость учащихся в школах и вызвать потерю слуха. [1] Принципы контроля шума реализуются в технологии и конструкции различными способами, включая контроль путем изменения конструкции источников звука, проектирования шумовых барьеров, звукопоглотителей, подавителей и буферных зон, а также использования средств защиты органов слуха ( наушники или беруши ). ).
Помимо контроля шума, акустическая инженерия также охватывает положительные применения звука, такие как использование ультразвука в медицине , программирование цифровых синтезаторов , проектирование концертных залов для улучшения звука оркестров [2] и определение звуковых систем железнодорожных станций, чтобы объявления были разборчивыми . [3]
Инженеры-акустики обычно имеют степень бакалавра или более высокую квалификацию в области акустики , [4] физики или другой инженерной дисциплины. Практика инженера-акустика обычно требует степени бакалавра со значительным научным и математическим содержанием. Инженеры-акустики могут работать в сфере акустического консультирования, специализируясь в определенных областях, таких как архитектурная акустика , шум окружающей среды или контроль вибрации . [5] В других отраслях инженеры-акустики могут: разрабатывать автомобильные звуковые системы; исследовать реакцию человека на звуки, например, городские звуки и звуки бытовой техники; разработать программное обеспечение для обработки аудиосигнала для микшерных пультов, а также спроектировать громкоговорители и микрофоны для мобильных телефонов. [6] [7] Акустики также участвуют в исследовании и понимании звука с научной точки зрения. На некоторые должности, например на должность преподавателя, требуется степень доктора философии .
В большинстве стран степень в области акустики может представлять собой первый шаг на пути к профессиональной сертификации , а программа получения степени может быть сертифицирована профессиональной организацией . После завершения сертифицированной программы на получение степени инженер должен удовлетворить ряд требований, прежде чем получить сертификат. После сертификации инженеру присваивается звание дипломированного инженера (в большинстве стран Содружества ).
Перечисленные субдисциплины во многом основаны на кодировании PACS ( схема классификации физики и астрономии ), используемом Акустическим обществом Америки . [8]
Аэроакустика занимается изучением того, как шум создается движением воздуха, например, за счет турбулентности, и как звук распространяется через жидкий воздух. Аэроакустика играет важную роль в понимании того, как шум создается самолетами и ветряными турбинами , а также в изучении того, как работают духовые инструменты . [9]
Обработка аудиосигнала — это электронная манипуляция аудиосигналами с использованием аналоговой и цифровой обработки сигналов . Это делается по разным причинам, в том числе:
Аудиоинженеры разрабатывают и используют алгоритмы обработки аудиосигналов.
Архитектурная акустика (также известная как строительная акустика ) — это наука и техника, направленная на достижение хорошего звука внутри здания. [11] Архитектурная акустика может быть направлена на достижение хорошей разборчивости речи в театре, ресторане или на железнодорожном вокзале, улучшение качества музыки в концертном зале или студии звукозаписи или подавление шума, чтобы сделать офисы и дома более продуктивными и приятными для работы и отдыха. жить. [12] Архитектурное акустическое проектирование обычно выполняется консультантами по акустике. [13]
Биоакустика занимается научным изучением производства звука и слуха у животных. Оно может включать в себя: акустическую коммуникацию и связанное с ней поведение животных и эволюцию видов; как животные производят звук; слуховые механизмы и нейрофизиология животных; использование звука для мониторинга популяций животных и влияние искусственного шума на животных. [14]
Эта отрасль акустической техники занимается проектированием наушников, микрофонов , громкоговорителей , звуковых систем, воспроизведением и записью звука. [15] Быстро растет использование портативных электронных устройств, которые могут воспроизводить звук и основаны на электроакустической технике, например, мобильных телефонов , портативных медиаплееров и планшетных компьютеров .
Термин «электроакустика» также используется для описания совокупности электрокинетических эффектов, возникающих в гетерогенных жидкостях под воздействием ультразвука. [16] [17]
Акустика окружающей среды занимается контролем шума и вибраций, вызванных движением транспорта, самолетами, промышленным оборудованием, развлекательными мероприятиями и всем остальным, что может считаться помехой. [1] Инженеры-акустики, занимающиеся акустикой окружающей среды, сталкиваются с проблемой измерения или прогнозирования вероятных уровней шума, определения приемлемого уровня этого шума и определения того, как шум можно контролировать. Работы по акустике окружающей среды обычно выполняются консультантами по акустике или специалистами, работающими в области гигиены окружающей среды . [13] Недавние исследовательские работы уделили большое внимание звуковым ландшафтам , положительному использованию звука (например, фонтанов, пения птиц) и сохранению спокойствия . [18]
Музыкальная акустика занимается исследованием и описанием физики музыки и ее восприятия – того, как работают звуки, используемые в музыке . Сюда входят: функции и конструкция музыкальных инструментов , включая электронные синтезаторы ; человеческий голос ( физика и нейрофизиология пения ) ; компьютерный анализ музыки и композиции; клиническое использование музыки в музыкальной терапии, а также восприятие и познание музыки . [19]
Контроль шума — это комплекс стратегий по уменьшению шумового загрязнения путем снижения шума в его источнике, подавления распространения звука с помощью шумозащитных барьеров или аналогичных средств или использования средств защиты ушей ( наушников или затычек для ушей ). [20] Контроль источника является наиболее экономически эффективным способом обеспечения контроля шума. Технология контроля шума, применяемая в легковых и грузовых автомобилях, известна как шум, вибрация и резкость (NVH). Другие методы снижения шума продукта включают виброизоляцию , применение звукопоглотителей и акустических кожухов. Акустическая инженерия может выйти за рамки контроля шума и определить, какой звук является лучшим для продукта, [21] например, управляя звуком закрытия дверей в автомобилях .
Психоакустика пытается объяснить, как люди реагируют на то, что они слышат, будь то раздражающий шум или красивая музыка. Во многих областях акустической техники человек-слушатель является окончательным арбитром в отношении того, является ли конструкция успешной, например, работает ли локализация звука в системе объемного звучания . «Психоакустика стремится согласовать акустические стимулы и все научные, объективные и физические свойства, которые их окружают, с физиологическими и психологическими реакциями, которые они вызывают». [10]
Речь является основной областью исследований акустической техники, включая производство, обработку и восприятие речи. Это может включать в себя физику , физиологию , психологию , обработку аудиосигналов и лингвистику . Распознавание речи и синтез речи — два важных аспекта машинной обработки речи. Обеспечение передачи речи разборчиво , эффективно и качественно; в комнатах, через системы громкой связи и через телефонные системы - другие важные области обучения. [22]
Ультразвук имеет дело со звуковыми волнами в твердых телах, жидкостях и газах на частотах, слишком высоких, чтобы их мог услышать обычный человек. Специализированные области включают медицинскую ультразвуковую диагностику (включая медицинскую ультрасонографию ), сонохимию , неразрушающий контроль , определение характеристик материалов и подводную акустику ( сонары ). [23]
Подводная акустика — это научное исследование звука в воде. Он касается как естественного, так и искусственного звука, а также его генерации под водой; как он распространяется и как воспринимается звук животными. Приложения включают гидролокатор для обнаружения подводных объектов, таких как подводные лодки , подводное общение животных, наблюдение за температурой моря для мониторинга изменения климата и морскую биологию. [24]
Инженеры-акустики, работающие над вибрацией, изучают движения и взаимодействие механических систем с окружающей средой, включая измерения, анализ и контроль. Сюда могут входить: вибрации грунта от железных дорог и строительства; виброизоляция для снижения проникновения шума в студии звукозаписи; изучение воздействия вибрации на человека ( вибрация белого пальца ); контроль вибрации для защиты моста от землетрясений или моделирование распространения структурного звука через здания. [25]
Хотя способ взаимодействия звука с окружающей средой зачастую чрезвычайно сложен, существует несколько идеальных вариантов поведения звуковых волн, которые имеют основополагающее значение для понимания акустического дизайна. Сложное поведение звуковых волн включает поглощение , реверберацию , дифракцию и преломление . Поглощение — это потеря энергии, которая происходит, когда звуковая волна отражается от поверхности, и относится как к звуковой энергии, передаваемой через материал поверхности, так и рассеиваемой ею. [26] Реверберация — это постоянство звука, вызванное повторяющимися отражениями от границ после прекращения действия источника звука. Этот принцип особенно важен в закрытых помещениях. Дифракция – это огибание звуковых волн поверхностями на пути волны. Рефракция — это изгиб звуковых волн, вызванный изменениями в среде, через которую проходит волна. Например, температурные градиенты могут вызвать преломление звуковых волн. [27] Инженеры-акустики применяют эти фундаментальные концепции наряду с математическим анализом для управления звуком в различных приложениях.