Акустическая инженерия (также известная как акустическая инженерия ) — это отрасль инженерии, занимающаяся звуком и вибрацией . Она включает в себя 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, что называется контролем шума . Нежелательный шум может оказывать значительное влияние на здоровье и благополучие животных и людей, снижать успеваемость учащихся в школах и вызывать потерю слуха. [1] Принципы контроля шума внедряются в технологии и дизайн различными способами, включая контроль путем перепроектирования источников звука, проектирование шумозащитных экранов, поглотителей звука, подавителей и буферных зон, а также использование средств защиты органов слуха ( наушников или берушей ).
Помимо контроля шума, акустическая инженерия также охватывает позитивное использование звука, например, использование ультразвука в медицине , программирование цифровых синтезаторов , проектирование концертных залов для улучшения звучания оркестров [2] и разработку звуковых систем на железнодорожных станциях, 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 в качестве инженера-акустика обычно требует степени бакалавра со значительным научным и математическим содержанием. Инженеры-акустики могут работать в акустическом консалтинге, специализируясь в определенных областях, таких как архитектурная акустика , контроль шума окружающей среды или вибрации . [5] В других отраслях инженеры-акустики могут: проектировать автомобильные звуковые системы; исследовать реакцию человека на звуки, такие как городские звуковые ландшафты и бытовая техника; разрабатывать программное обеспечение для обработки аудиосигналов для микшерных пультов и проектировать громкоговорители и микрофоны для мобильных телефонов. [6] [7] Акустики также занимаются исследованием и пониманием звука с научной точки зрения. Некоторые должности, такие как преподавательский состав, требуют наличия степени доктора философии .
В большинстве стран степень в области акустики может представлять собой первый шаг к профессиональной сертификации , а программа получения степени может быть сертифицирована профессиональным органом . После завершения сертифицированной программы получения степени инженер должен соответствовать ряду требований, прежде чем получить сертификат. После получения сертификата инженеру присваивается звание дипломированного инженера (в большинстве стран Содружества ).
Перечисленные субдисциплины в общих чертах основаны на кодировке PACS ( Схема классификации физики и астрономии ), используемой Акустическим обществом Америки . [8]
Аэроакустика занимается тем, как шум генерируется движением воздуха, например, через турбулентность, и как звук распространяется через жидкий воздух. Аэроакустика играет важную роль в понимании того, как шум генерируется самолетами и ветряными турбинами , а также в исследовании того, как работают духовые инструменты . [9]
Обработка аудиосигнала — это электронная манипуляция аудиосигналами с использованием аналоговой и цифровой обработки сигнала . Это делается по разным причинам, включая:
Звукорежиссеры разрабатывают и используют алгоритмы обработки аудиосигнала.
Архитектурная акустика (также известная как строительная акустика ) — это наука и инженерия достижения хорошего звука внутри здания. [11] Архитектурная акустика может быть направлена на достижение хорошей разборчивости речи в театре, ресторане или на железнодорожной станции, улучшение качества музыки в концертном зале или студии звукозаписи или подавление шума, чтобы сделать офисы и дома более продуктивными и приятными местами для работы и жизни. [12] Архитектурное акустическое проектирование обычно выполняется консультантами по акустике. [13]
Биоакустика занимается научным изучением производства звука и слуха у животных. Она может включать: акустическую коммуникацию и связанное с ней поведение животных и эволюцию видов; как животные производят звук; слуховые механизмы и нейрофизиологию животных; использование звука для мониторинга популяций животных и влияние антропогенного шума на животных. [14]
Эта отрасль акустической инженерии занимается проектированием наушников, микрофонов , громкоговорителей , звуковых систем, воспроизведением и записью звука. [15] Наблюдается быстрый рост использования портативных электронных устройств, которые могут воспроизводить звук и полагаться на электроакустическую инженерию, например, мобильные телефоны , портативные медиаплееры и планшетные компьютеры .
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, рекреационной деятельностью 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 для этого шума и определения того, как шум можно контролировать. Работа по акустике окружающей среды обычно выполняется консультантами по акустике или теми, кто работает в сфере охраны окружающей среды . [13] Недавние исследования уделяют особое внимание звуковым ландшафтам , позитивному использованию звука (например, фонтаны, пение птиц) и сохранению спокойствия . [18]
Музыкальная акустика занимается исследованием и описанием физики музыки и ее восприятия – как работают звуки, используемые в качестве музыки . Сюда входит: функция 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 представляет собой набор стратегий по снижению шумового загрязнения путем снижения шума в его источнике, путем подавления распространения звука с помощью шумозащитных экранов или аналогичных средств или путем использования средств защиты органов слуха ( наушников или берушей ). [20] Контроль в источнике является наиболее экономически эффективным способом обеспечения контроля шума. Инженерия контроля шума, применяемая к легковым и грузовым автомобилям, известна как шум, вибрация и жесткость (NVH). Другие методы снижения шума продукта включают виброизоляцию , применение звукопоглощающих материалов и акустических кожухов. Акустическая инженерия может выйти за рамки контроля шума, чтобы посмотреть, какой звук является лучшим для продукта, [21] например, манипулируя звуком закрытия дверей на автомобилях .
Психоакустика пытается объяснить, как люди реагируют на то, что они слышат, будь то раздражающий шум или прекрасная музыка. Во многих отраслях акустической инженерии слушатель-человек является окончательным арбитром относительно того, является ли проект успешным, например, работает ли локализация звука в системе объемного звучания . «Психоакустика стремится примирить 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 изучения акустической инженерии, включая производство, обработку и восприятие речи. Это может включать физику , физиологию , психологию , обработку аудиосигналов и лингвистику . Распознавание речи и синтез речи являются двумя важными аспектами машинной обработки речи. Обеспечение того, чтобы речь передавалась разборчиво , эффективно и с высоким качеством; в помещениях, через системы оповещения и через телефонные системы являются другими важными областями изучения. [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 медицинский ультразвук (включая медицинскую ультрасонографию ), сонохимию , неразрушающий контроль , характеристику материалов и подводную акустику ( сонар ). [23]
Подводная акустика — это научное исследование звука в воде. Она занимается как естественным, так и искусственным звуком и его генерацией под водой; как он распространяется и как воспринимают звук животные. Приложения включают гидролокатор для обнаружения подводных объектов, таких как подводные лодки , подводную связь 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 измерение, анализ и управление. Это может включать: вибрации грунта от железных дорог и строительства; виброизоляцию для снижения шума, проникающего в студии звукозаписи; изучение влияния вибрации на людей ( вибрационный белый палец ); контроль вибрации для защиты моста от землетрясений или моделирование распространения структурного звука через здания. [25]
Хотя способ, которым звук взаимодействует с окружающей средой, часто чрезвычайно сложен, существует несколько идеальных поведений звуковых волн, которые имеют основополагающее значение для понимания акустического проектирования. Сложные поведения звуковых волн включают 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 к рассеиваемой им. [26] Реверберация — это сохранение звука, вызванное повторными граничными отражениями после того, как источник звука останавливается. Этот принцип особенно важен в закрытых помещениях. Дифракция — это изгиб звуковых волн вокруг поверхностей на пути волны. Рефракция — это изгиб звуковых волн, вызванный изменениями в среде, через которую проходит волна. Например, температурные градиенты могут вызывать преломление звуковой волны. [27] Инженеры-акустики применяют эти фундаментальные концепции вместе с математическим анализом для управления звуком в различных приложениях.