Современная акустика и ее разделы

Основные разделы современной акустики подразделяют на общую, прикладную и психофизиологическую.

Общая акустика занимается теоретическим и экспериментальным изучением закономерностей излучения, распространения и приёма упругих колебаний и волн в различных средах и системах; условно её можно разделить на теорию звука, физическую акустику и нелинейную акустику. Теория звука пользуется общими методами, разработанными в теории колебаний и волн. Для колебаний и волн малой амплитуды принимается принцип независимости колебаний и волн (суперпозиции принцип), на основе которого определяют звуковое поле в разных областях пространства и его изменение во времени.

На распространение, генерацию и приём упругих волн оказывает влияние огромное число факторов, связанных со свойствами и состоянием среды. Рассмотрением этого занимается физическая акустика. К её задачам относятся, в частности, изучение зависимости скорости и поглощения упругих волн от температуры и вязкости среды и других факторов.

К важным вопросам физической акустики относятся также взаимодействие элементарных звуковых волн (фононов) с электронами и фотонами. Эти взаимодействия становятся особенно существенными на очень высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах при низких температурах. В области таких частот и температур начинают проявляться квантовые эффекты. Этот раздел физики акустики иногда называют квантовой акустикой. Нелинейная акустика изучает интенсивные звуковые процессы, когда принцип суперпозиции не выполняется и звуковая волна при распространении изменяет свойства среды. Этот раздел акустики, очень сложный в теоретическом отношении, быстро развивается (как и теория нелинейных волновых процессов в оптике и электродинамике).

Прикладная акустика — чрезвычайно обширная область, к которой относится, прежде всего, электроакустика. Сюда же относятся акустические измерения — измерения величин звукового давления, интенсивности звука, спектра частот звукового сигнала и т. д. Архитектурная и строительная акустика занимается задачами получения хорошей слышимости речи и музыки в закрытых помещениях и снижением уровней шума, а также разработкой звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов. Прикладная акустика изучает также шумы и вибрации и разрабатывает способы борьбы с ними. Изучением распространения звука в океане и возникающими при этом явлениями: рефракцией звука, реверберацией при отражении звукового сигнала от поверхности моря и его дна, рассеянием звука на неоднородностях и т. д. занимаются гидроакустика и гидролокация.

Атмосферная акустика исследует особенности распространения звука в атмосфере, обусловленные неоднородностью её структуры, и является частью метеорологии. Геоакустика изучает применения звука в инженерной геофизике и геологии.

Огромное прикладное значение, как в технике физического эксперимента, так и в промышленности, на транспорте, в медицине и др. имеют ультразвук и гиперзвук. Например, в измерительной технике — ультразвуковые линии задержки, измерение сжимаемости жидкостей, модулей упругости твёрдых тел и т. д.; в промышленном контроле — дефектоскопия металлов и сплавов, контроль протекания химических реакций и т. д.; технологические применения — ультразвуковое сверление, очистка и обработка поверхностей, коагуляция аэрозолей и др.

Психофизиологическая акустика занимается изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов человека и животных, проблемами речеобразования, передачи и восприятия речи. Результаты используются в электроакустике, архитектурной акустики, системах передачи речи, теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п. К её разделам относятся: речь, слух, психологическая акустика, биологическая акустика

А теперь перейдем собственно к тому, что изучает АКУСТИКА

Звук

Кажется, совсем не нужно пояснять, что такое звук. Это то, что мы слышим. Это и нежная мелодия скрипки, и тревожный звон колокола, и грохот грома или водопада, и слова, произносимые человеком... Все это звуки, и потому мы их слышим. Но само физическое явление — звук — существует на Земле помимо человека. В те далекие времена, когда на Земле не было не только людей, но и простейших живых организмов, гремели грозовые раскаты грома, грохотали водопады, земную кору потрясали невиданные землетрясения. Но эти звуки никто не слышал, потому что некому было их слышать. Природа щедра, но ничего она не делает даром, без нужды. И если почти всем животным на Земле природа подарила способность воспринимать звуки, значит, им это было необходимо, без этого они не могли бы выжить в борьбе за существование.

С точки зрения физики звук — это возникновение и распространение колебаний в каком-либо веществе, будь то воздух, жидкость или твердое тело. Если бы на Луне были живые существа, слух им не понадобился бы: на Луне нет атмосферы, и в безвоздушном пространстве нечему колебаться, там нет и звука.

Наука доказала, что рыбы вовсе не немы и не глухи, они тоже издают звуки и слышат их, потому что они воспринимают колебания, возникающие в воде. Людям же удается «услышать» их только с помощью специальных приборов.

В твердых телах тоже возникают и распространяются колебания. Землетрясение ощущается не только в том месте, где оно возникло, но за десятки, сотни и даже тысячи километров.

Наш орган слуха — ухо — устроен так, что непосредственно слышит звуки, распространяющиеся не только в воздухе, но и в воде. Если вы приставите к своей голове камертон, звучащий так слабо, что ухо не улавливает его звук, то явственно услышите этот звук через кость: органы внутреннего уха уловят колебания, распространяющиеся в твердом теле.

Излучают звук колеблющиеся тела: струна, камертон (если по ним ударить), колебания воздуха в прорези свистка, колебания голосовых связок и т. п.

Воздух — это смесь газов. Молекулы газов, составляющие воздух, находятся в беспорядочном тепловом движении, беспрерывно сталкиваются друг с другом и разлетаются. За 1 секунду каждая молекула сталкивается с другими миллиарды раз. Скорость их движения достигает 1000 м/сек. Атмосфера существует на Земле только благодаря притяжению планеты; если бы оно исчезло, все молекулы воздуха немедленно улетели бы в межзвездное пространство. Притяжение Земли создает и атмосферное давление. Но молекулы воздуха не падают на Землю, подобно камню, так как они обладают кинетической энергией, беспрерывно обмениваются ею друг с другом, противодействуют сжимающему их давлению. Это значит, что газ обладает упругостью: он сопротивляется сжатию, а когда давление снято, расширяется, занимая весь предоставленный ему объем. Упругостью обладают и жидкости и твердые тела.

В твердых телах и в жидкостях действуют большие силы межмолекулярного притяжения. Их молекулы не могут разойтись на расстояние большее, чем позволяют эти силы. В газах же такие силы очень слабы и их молекулы сближает только внешнее давление.

Упругость воздуха выражается в том, что любое давление на воздух передается им равномерно во все стороны. Поэтому и возможна в воздухе передача упругих волн, т. е. сжатий и разрежений газа, созданных любым посторонним телом.

Звуковые волны

При вибрации звучащее тело отклоняется от своего положения равновесия попеременно в противоположные стороны. При каждом отклонении оно сжимает одной своей стороной прилегающий к нему воздух, а другой стороной разрежает. С одной его стороны давление воздуха становится чуть больше атмосферного, и настолько же оно уменьшается на противоположной стороне. Разница между давлением в слое сжатия или разрежения и обычным атмосферным давлением называется акустическим или звуковым давлением.

Чередующиеся сжатия и разрежения, созданные вибрирующим телом — источником,— передаются в воздухе благодаря его упругости от слоя к слою, т. е. распространяются от места их возникновения во все стороны. Созданные вибрирующим телом сжатия и разрежения воздуха повторяются, постепенно затухая, в каждой точке пространства, куда достигнет волна.

Физики-акустики умеют измерять свойства звуковой волны. Наибольшее значение в этих измерениях имеет определение величины акустического давления и его частоты, т. е. количества колебаний в одну секунду. Единица этого измерения— герц — названа по имени немецкого ученого Генриха Герца. Герц — частота, при которой в одну секунду происходит одно колебание. Обозначается она гц.

Орган слуха у человека воспринимает упругие волны с частотами от 16 колебаний в секунду до 20 000, т. е. с частотами от 16 до 20 000 гц (20 кгц) Волны с частотами меньше 16 гц называют инфразвуком, с частотами больше 20 кгц — ультразвуком.

Чтобы иметь более полное представление о звуковой волне, нужно, кроме частоты, знать и ее длину — расстояние между ближайшими слоями сжатия (или разрежения) — и скорость ее распространения. Все эти величины: частота v, длина l и скорость v — взаимозависимы. Если измерить две из них, можно найти и третью. Их зависимость друг от друга можно выразить в простой формуле:

Так как период колебаний, т. е. время, за которое проходит одно колебание, определяется

через частоту T = 1 / v, то связь этих величин

l =vT.

выражается формулой

Когда над вашим ухом зудит комар, вы слышите звуки очень высокого тона. Их частота превышает 10 000 колебаний в секунду, длина же звуковой волны равна приблизительно 3,3 см.

В мычании быка нет звуков с частотой, большей 30 гц. Наименьшая длина волны такого звука равна примерно 10 м. Остальные звуковые волны в мычании быка длиннее 10 м.

Как измерили скорость звука

Мысль измерить скорость звука впервые пришла английскому философу Фрэнсису Бэкону. По его совету этим занялся французский ученый Марен Марсенн. В 1630 г. он провел наблюдение над выстрелом из мушкета. Расстояние между наблюдателем и мушкетом было поделено на время, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до наблюдателя звуком. Марсенн нашел, что скорость звука равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 м/сек.

Спустя полвека английский ученый Исаак Ньютон вычислил скорость звука теоретически, исходя из упругих свойств воздуха и зависимости объема газа от давления, зависимости, выраженной законом Бойля—Мариотта. Эта скорость оказалась немногим более половины скорости, полученной в опыте Марсенна. Когда теория противоречит опыту, следует искать, где же ошибка. Ее начали искать и в теоретических рассуждениях Ньютона, и в опыте Марсенна.

В 1738 г. французская Академия наук повторила измерение скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду, что соответствует 337 м/сек. Несовпадение с опытом Марсенна объяснили тем, что его измерение времени было несовершенным. Однако и результат повторного опыта не соответствовал теоретической формуле Ньютона.

В 1808 г. французский ученый Пуассон выяснил, что закономерность, обнаруженная Бойлем и Мариоттом (именно она была положена в основу расчетов Ньютона), неприменима для описания, как распространяется звук в воздухе. Этот закон справедлив лишь в том случае, когда объем газа изменяется медленно — так, что сжимаемый газ отдает среде, которая его окружает, возникающее в нем тепло; или, наоборот, так, что медленно расширяющийся газ успевает нагреваться от окружающей среды. Следовательно, постоянство температуры воздуха (основное условие закона Бойля—Мариотта) может быть сохранено лишь в изотермических условиях, т. е. при свободном теплообмене между сжимаемым газом и окружающей этот газ средой.

Именно этих условий и нет в звуковой волне. Теплопроводность воздуха мала, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Избыток тепла из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. Давление и объем изменяются в соседних слоях без теплообмена и, следовательно, при изменяющейся температуре. Физические процессы, происходящие без теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими. В адиабатическом процессе сжимаемый газ нагревается (вспомните, как нагревается велосипедный насос, если очень быстро накачивать шину), а расширяющийся — охлаждается.

Различие между расширениями газа в изотермических и адиабатических условиях позволило французскому ученому Лапласу объяснить, почему скорость звука, вычисленная по формуле Ньютона, не совпадает с результатом опыта: колебания звукового давления в воздухе происходят в адиабатических, а не в изотермических условиях.

В 1822 г. близ Парижа вновь были поставлены опыты. В них участвовали ученые: Гей-Люссак, Араго, Гумбольдт и др. Результаты опыта совпали с теоретическими вычислениями Лапласа и подтвердили, что скорость звука возрастает с повышением температуры. В сухом воздухе при 0°Ц она равна 331,5 м/сек, а при 20°Ц — 344 м/сек.

При одной и той же температуре скорость звука больше в том газе, у которого меньше молекулярный вес. При 0°Ц. скорость звука:

в водороде — 1284 м/сек.

в гелии — 965 м/сек.

в азоте — 334 м/сек.

в кислороде— 316 м/сек.

В воде, упругость которой больше, чем у воздуха, звук распространяется

я при 20°Ц. со скоростью 1484 м/сек. Упругость твердых тел больше, чем

жидкости. В алюминии, железе, стали скорость звука равна примерно 5000 м/сек.