Акустика — это раздел физики , который занимается изучением механических волн в газах, жидкостях и твердых телах, включая такие темы, как вибрация , звук , ультразвук и инфразвук . Ученый, работающий в области акустики, является акустиком , в то время как тот, кто работает в области акустических технологий, может быть назван инженером-акустиком . Применение акустики присутствует почти во всех аспектах современного общества, наиболее очевидным из которых является индустрия аудио и контроля шума .
Слух является одним из важнейших средств выживания в животном мире, а речь — одной из самых отличительных характеристик человеческого развития и культуры. Соответственно, наука акустики распространяется на многие грани человеческого общества — музыку, медицину, архитектуру, промышленное производство, войну и многое другое. Аналогично, такие виды животных, как певчие птицы и лягушки, используют звук и слух как ключевой элемент брачных ритуалов или для маркировки территории. Искусство, ремесло, наука и технология побуждали друг друга к развитию целого, как и во многих других областях знаний. «Колесо акустики» Роберта Брюса Линдсея — это общепризнанный обзор различных областей акустики. [1]
Слово «акустический» происходит от греческого слова ἀκουστικός ( akoustikos ), означающего «слушающий или для слуха, готовый услышать» [2] и от ἀκουστός ( akoustos ), «слышимый, слышимый» [3] , которое в свою очередь происходит от глагола ἀκούω ( akouo ), «я слышу». [4]
Синонимом этого слова на латыни является «sonic», после чего термин «sonics» стал синонимом акустики [5], а позднее и раздела акустики. [5] Частоты выше и ниже слышимого диапазона называются « ультразвуковыми » и « инфразвуковыми » соответственно.
В VI веке до нашей эры древнегреческий философ Пифагор хотел узнать, почему некоторые комбинации музыкальных звуков кажутся более красивыми, чем другие, и он нашел ответы в терминах числовых соотношений, представляющих гармонический ряд обертонов на струне. Считается, что он заметил, что когда длины вибрирующих струн выражаются как соотношения целых чисел (например, 2 к 3, 3 к 4), производимые тоны будут гармоничными, и чем меньше целые числа, тем гармоничнее звуки. Например, струна определенной длины будет звучать особенно гармонично со струной вдвое большей длины (при прочих равных условиях). Говоря современным языком, если струна звучит как нота C при щипке, струна вдвое длиннее будет звучать как C на октаву ниже. В одной из систем музыкальной настройки тоны между ними задаются как 16:9 для D, 8:5 для E, 3:2 для F, 4:3 для G, 6:5 для A и 16:15 для B, в порядке возрастания. [6]
Аристотель (384–322 до н. э.) понимал, что звук состоит из сжатий и разрежений воздуха, который «падает на воздух, который находится рядом с ним, и ударяется о него...», [7] [8] очень хорошее выражение природы волнового движения. В трактате «О вещах, которые слышны » , обычно приписываемом Стратону из Лампсака , говорится, что высота тона связана с частотой колебаний воздуха и скоростью звука. [9]
Около 20 г. до н. э. римский архитектор и инженер Витрувий написал трактат об акустических свойствах театров, включая обсуждение помех, эха и реверберации — начала архитектурной акустики . [10] В книге V своего De architectura ( Десять книг об архитектуре ) Витрувий описывает звук как волну, сравнимую с волной воды, распространенной в трех измерениях, которая, будучи прерванной препятствиями, течет обратно и разбивает следующие волны. Он описал восходящие сиденья в древних театрах как предназначенные для предотвращения этого ухудшения звука, а также рекомендовал размещать в театрах бронзовые сосуды (эхеа) соответствующих размеров, чтобы резонировать с квартой, квинтой и так далее, вплоть до двойной октавы, чтобы резонировать с более желательными, гармоничными нотами. [11] [12] [13]
Считается, что во времена исламского золотого века Абу Райхан аль-Бируни (973–1048) предположил, что скорость звука намного меньше скорости света. [14] [15]
Физическое понимание акустических процессов быстро развивалось во время и после Научной революции . В основном Галилео Галилей (1564–1642), но также и Марин Мерсенн (1588–1648), независимо друг от друга, открыли полные законы вибрирующих струн (завершив то, что Пифагор и пифагорейцы начали 2000 лет назад). Галилей писал: «Волны производятся вибрациями звучащего тела, которые распространяются по воздуху, принося в барабанную перепонку уха стимул , который разум интерпретирует как звук», замечательное утверждение, которое указывает на начало физиологической и психологической акустики. Экспериментальные измерения скорости звука в воздухе были успешно проведены между 1630 и 1680 годами рядом исследователей, в первую очередь Мерсенном. Тем временем Ньютон (1642–1727) вывел соотношение для скорости волн в твердых телах, краеугольный камень физической акустики ( Principia , 1687).
Значительный прогресс в акустике, основанный на более прочных математических и физических концепциях, был достигнут в XVIII веке Эйлером ( 1707–1783), Лагранжем (1736–1813) и Даламбером (1717–1783). В эту эпоху физика сплошных сред, или теория поля, начала получать определенную математическую структуру. Волновое уравнение возникло в ряде контекстов, включая распространение звука в воздухе. [16]
В девятнадцатом веке главными фигурами математической акустики были Гельмгольц в Германии, который консолидировал область физиологической акустики, и лорд Рэлей в Англии, который объединил предыдущие знания со своим собственным обширным вкладом в эту область в своем монументальном труде «Теория звука» (1877). Также в девятнадцатом веке Уитстон, Ом и Генри разработали аналогию между электричеством и акустикой.
Двадцатый век стал свидетелем бурного развития технологических приложений большого объема научных знаний, которые были к тому времени. Первым таким применением была новаторская работа Сабина в области архитектурной акустики, за которой последовали многие другие. Подводная акустика использовалась для обнаружения подводных лодок в Первой мировой войне. Звукозапись и телефон сыграли важную роль в глобальной трансформации общества. Измерение и анализ звука достигли нового уровня точности и сложности благодаря использованию электроники и вычислений. Диапазон ультразвуковых частот открыл совершенно новые виды приложений в медицине и промышленности. Были изобретены и введены в эксплуатацию новые виды преобразователей (генераторы и приемники акустической энергии).
Акустика определяется стандартом ANSI/ASA S1.1-2013 как «(a) Наука о звуке , включая его создание, передачу и воздействие, в том числе биологическое и психологическое воздействие. (b) Те качества помещения, которые в совокупности определяют его характер с точки зрения слуховых воздействий».
Изучение акустики вращается вокруг генерации, распространения и приема механических волн и колебаний.
Шаги, показанные на диаграмме выше, можно найти в любом акустическом событии или процессе. Существует много видов причин, как естественных, так и волевых. Существует много видов процессов преобразования, которые преобразуют энергию из какой-либо другой формы в звуковую энергию, создавая звуковую волну. Существует одно фундаментальное уравнение, описывающее распространение звуковой волны, уравнение акустической волны , но явления, которые возникают из него, разнообразны и часто сложны. Волна переносит энергию через распространяющуюся среду. В конечном итоге эта энергия снова преобразуется в другие формы способами, которые снова могут быть естественными и/или намеренно придуманными. Конечный эффект может быть чисто физическим или он может проникать далеко в биологические или волевые области. Пять основных шагов обнаруживаются одинаково хорошо, говорим ли мы о землетрясении , подводной лодке, использующей сонар для определения местоположения своего противника, или группе, играющей на рок-концерте.
Центральным этапом акустического процесса является распространение волн. Это относится к области физической акустики. В жидкостях звук распространяется в основном как волна давления . В твердых телах механические волны могут принимать различные формы, включая продольные волны , поперечные волны и поверхностные волны .
Акустика в первую очередь рассматривает уровни давления и частоты в звуковой волне и то, как волна взаимодействует с окружающей средой. Это взаимодействие можно описать как дифракцию , интерференцию или отражение или смесь этих трех. Если присутствует несколько сред , может также произойти рефракция . Процессы преобразования также имеют особое значение для акустики.
В жидкостях, таких как воздух и вода, звуковые волны распространяются как возмущения уровня давления окружающей среды. Хотя это возмущение обычно невелико, оно все равно заметно для человеческого уха. Самый слабый звук, который может услышать человек, известный как порог слышимости , на девять порядков меньше давления окружающей среды. Громкость этих возмущений связана с уровнем звукового давления (SPL), который измеряется по логарифмической шкале в децибелах.
Физики и инженеры-акустики склонны обсуждать уровни звукового давления в терминах частот, отчасти потому, что именно так наши уши интерпретируют звук. То, что мы воспринимаем как «более высокие» или «более низкие» звуки, представляет собой колебания давления, имеющие большее или меньшее количество циклов в секунду. В общепринятой технике акустических измерений акустические сигналы дискретизируются во времени, а затем представляются в более значимых формах, таких как октавные полосы или графики частоты времени. Оба этих популярных метода используются для анализа звука и лучшего понимания акустического явления.
Весь спектр можно разделить на три части: звуковой, ультразвуковой и инфразвуковой. Звуковой диапазон находится в диапазоне от 20 Гц до 20 000 Гц. Этот диапазон важен, поскольку его частоты могут быть обнаружены человеческим ухом. Этот диапазон имеет ряд применений, включая речевое общение и музыку. Ультразвуковой диапазон относится к очень высоким частотам: 20 000 Гц и выше. Этот диапазон имеет более короткие длины волн, что обеспечивает лучшее разрешение в технологиях визуализации. Медицинские приложения, такие как ультрасонография и эластография, полагаются на диапазон ультразвуковых частот. На другом конце спектра самые низкие частоты известны как инфразвуковой диапазон. Эти частоты можно использовать для изучения геологических явлений, таких как землетрясения.
Аналитические приборы, такие как анализатор спектра , облегчают визуализацию и измерение акустических сигналов и их свойств. Спектрограмма, полученная с помощью такого прибора, представляет собой графическое отображение изменяющегося во времени уровня давления и профилей частоты, которые придают конкретному акустическому сигналу его определяющий характер.
Преобразователь — это устройство для преобразования одной формы энергии в другую. В электроакустическом контексте это означает преобразование звуковой энергии в электрическую энергию (или наоборот). Электроакустические преобразователи включают громкоговорители , микрофоны , датчики скорости частиц , гидрофоны и гидроакустические проекторы. Эти устройства преобразуют звуковую волну в электрический сигнал или из него. Наиболее широко используемые принципы преобразования — электромагнетизм , электростатика и пьезоэлектричество .
Преобразователи в большинстве распространенных громкоговорителей (например, вуферы и твитеры ) представляют собой электромагнитные устройства, которые генерируют волны с помощью подвешенной диафрагмы, приводимой в действие электромагнитной звуковой катушкой , посылающей волны давления. Электретные микрофоны и конденсаторные микрофоны используют электростатику — когда звуковая волна ударяется о диафрагму микрофона, она движется и вызывает изменение напряжения. Ультразвуковые системы, используемые в медицинской ультрасонографии, используют пьезоэлектрические преобразователи. Они сделаны из специальной керамики, в которой механические колебания и электрические поля связаны между собой посредством свойства самого материала.
Акустик — специалист в области науки о звуке. [17]
Существует много типов акустиков, но обычно они имеют степень бакалавра или более высокую квалификацию. Некоторые имеют степень по акустике, в то время как другие приходят в дисциплину через исследования в таких областях, как физика или инженерия . Большая часть работы в акустике требует хорошей подготовки в математике и науке . Многие ученые-акустики работают в сфере исследований и разработок. Некоторые проводят фундаментальные исследования, чтобы расширить наши знания о восприятии (например, слух , психоакустика или нейрофизиология ) речи , музыки и шума . Другие ученые-акустики расширяют понимание того, как звук влияет на его перемещение в окружающей среде, например, подводная акустика , архитектурная акустика или структурная акустика . Другие области работы перечислены в субдисциплинах ниже. Ученые-акустики работают в государственных, университетских и частных промышленных лабораториях. Многие продолжают работать в области акустической инженерии . Некоторые должности, такие как преподавательский состав (академический персонал), требуют наличия степени доктора философии .
.jpg/1280px-Gibraltar_2015_10_19_1964_(24110677143).jpg)
Археоакустика , также известная как археология звука, является одним из немногих способов познать прошлое с помощью других чувств, помимо глаз. [18] Археоакустика изучается путем тестирования акустических свойств доисторических мест, включая пещеры. Егор Резкинофф, звуковой археолог, изучает акустические свойства пещер с помощью естественных звуков, таких как гудение и свист. [19] Археологические теории акустики сосредоточены вокруг ритуальных целей, а также способа эхолокации в пещерах. В археологии акустические звуки и ритуалы напрямую коррелируют, поскольку определенные звуки должны были приблизить участников ритуала к духовному пробуждению. [18] Параллели можно также провести между наскальными рисунками в пещерах и акустическими свойствами пещеры; они оба динамичны. [19] Поскольку археоакустика является довольно новым археологическим предметом, акустический звук все еще тестируется в этих доисторических местах сегодня.
Аэроакустика — это изучение шума, создаваемого движением воздуха, например, турбулентностью, и движением звука через жидкий воздух. Эти знания применяются в акустической инженерии для изучения того, как сделать самолет тише . Аэроакустика важна для понимания того, как работают духовые музыкальные инструменты . [20]
Обработка акустических сигналов — это электронная манипуляция акустическими сигналами. Приложения включают: активный контроль шума ; проектирование слуховых аппаратов или кохлеарных имплантов ; эхоподавление ; поиск музыкальной информации и перцептивное кодирование (например, MP3 или Opus ). [21]
Архитектурная акустика (также известная как акустика зданий) включает в себя научное понимание того, как достичь хорошего звука в здании. [22] Обычно она включает в себя изучение разборчивости речи, конфиденциальности речи, качества музыки и снижения вибрации в застроенной среде. [23] Обычно изучаемыми средами являются больницы, классы, жилые помещения, концертные залы, студии звукозаписи и вещания. Основное внимание уделяется акустике помещений, воздушной и ударной передаче в строительных конструкциях, контролю воздушного и структурного шума, контролю шума в строительных системах и электроакустических системах [1].
Биоакустика — это научное исследование слуха и звуков животных, а также того, как на животных влияют акустика и звуки их среды обитания. [24]
Эта поддисциплина занимается записью, обработкой и воспроизведением звука с использованием электроники. [25] Сюда могут входить такие продукты, как мобильные телефоны , крупномасштабные системы оповещения или системы виртуальной реальности в исследовательских лабораториях.
Акустика окружающей среды занимается шумом и вибрацией, вызванными железными дорогами, [26] дорожным движением, самолетами, промышленным оборудованием и рекреационной деятельностью. [27] Основная цель этих исследований — снизить уровень шума и вибрации окружающей среды. Исследовательская работа в настоящее время также сосредоточена на позитивном использовании звука в городской среде: звуковые ландшафты и спокойствие . [28]
Музыкальная акустика — это изучение физики акустических инструментов; обработки аудиосигналов, используемых в электронной музыке; компьютерного анализа музыки и композиции, а также восприятия и когнитивной нейронауки музыки . [29]
Целью этой акустической субдисциплины является снижение воздействия нежелательного звука. Областью изучения шума является генерация, распространение и воздействие на конструкции, предметы и людей.
Исследования шума изучают воздействие шума на людей и животных, включая работу по определениям, снижению шума, транспортному шуму, защите органов слуха, шуму реактивных самолетов и ракет, шуму и вибрации строительных систем, распространению атмосферного звука, звуковым ландшафтам и низкочастотному звуку.
Было проведено много исследований для выявления связи между акустикой и познанием , или более известной как психоакустика , в которой то, что человек слышит, является комбинацией восприятия и биологических аспектов. [30] Информация, перехваченная при прохождении звуковых волн через ухо, понимается и интерпретируется мозгом, что подчеркивает связь между разумом и акустикой. Психологические изменения были замечены, когда мозговые волны замедляются или ускоряются в результате изменения слухового стимула, что, в свою очередь, может повлиять на то, как человек думает, чувствует или даже ведет себя. [31] Эту корреляцию можно увидеть в обычных, повседневных ситуациях, в которых прослушивание бодрой или быстрой песни может заставить человека начать постукивать ногой, а более медленная песня может оставить чувство спокойствия и безмятежности. При более глубоком биологическом взгляде на явление психоакустики было обнаружено, что центральная нервная система активируется основными акустическими характеристиками музыки. [32] Наблюдая, как акустика влияет на центральную нервную систему, которая включает в себя мозг и позвоночник, становится очевидным путь, по которому акустика влияет на разум и, по сути, на тело. [32]
Акустики изучают производство, обработку и восприятие речи. Распознавание речи и синтез речи являются двумя важными областями обработки речи с использованием компьютеров. Предмет также пересекается с дисциплинами физики, физиологии , психологии и лингвистики . [33]
Структурная акустика — это изучение движений и взаимодействий механических систем с их окружением и методов их измерения, анализа и управления [2]. В этом режиме можно выделить несколько поддисциплин:
Области применения могут включать: вибрации грунта от железных дорог; виброизоляция для снижения вибрации в операционных; изучение того, как вибрация может нанести вред здоровью ( вибрационный белый палец ); контроль вибрации для защиты здания от землетрясений или измерение того, как структурный звук распространяется через здания. [34]
Ультразвук имеет дело со звуками на частотах, слишком высоких для того, чтобы их мог слышать человек. Специализации включают медицинский ультразвук (включая медицинскую ультрасонографию), сонохимию , ультразвуковое тестирование , характеристику материалов и подводную акустику ( сонар ). [35]
Подводная акустика — это научное исследование естественных и искусственных звуков под водой. Приложения включают гидролокатор для обнаружения подводных лодок , подводную связь китов , мониторинг изменения климата путем акустического измерения температуры моря , звуковое оружие , [36] и морскую биоакустику. [37]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: others (link)
