Акустика - наука о звуке, которая изучает физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием.
Слух является одним из наиболее важных средств выживания в животном мире, также речь является одним из наиболее отличительных особенностей развития и культуры человека. Соответственно, наука акустики распространяется по многим аспектам человеческого общества - в музыке, медицине, архитектуре, промышленном производстве, и во многом другом.
Ранние исследования в акустике
Примерно в $20$ году до нашей эры, римский архитектор и инженер Витрувий написал трактат про акустические свойства театров, включая в обсуждение интерференцию и эхо.
Рисунок 1. Принципы акустики применялись с древних времен: Римский театр в городе Амман
Физическое понимание акустических процессов быстро продвигались во времени после научной революции. В основном Галилео Галилей ($1564-1642$), но и Мерсенн ($1588-1648$), независимо друг от друга, обнаружили законы вибрирующих струн. В то же время, Ньютон ($1642-1727$) вывел соотношение для скорости распространения волны в твердых телах, которое стало краеугольным камнем физической акустики.
Физическая акустика
Физическая акустика - это часть акустики, в которой ведутся исследования взаимодействия акустических волн с твердыми, жидкими и газообразными средами на макро и микроуровнях. В рамках физической акустики можно выделить два вида проблемы. По формулировке соответствующих математических моделей и целей исследования звуковых полей, их можно разделить на прямые и обратные задачи. В прямых задачах считают известными свойства вещества, в которой распространяются звуковые возмущения. В обратных задачах, целью исследования является поиск информации о внутренних свойствах среды, в которой распространяется звук.
Основные разделы акустики
-
Физиологическая и психологическая акустика
Особенности восприятия и анализа нервных импульсов мозга, является предметом исследований в рамках психологической акустики, или психоакустике. Понимание особенностей генерации звуков определяется строением речевого аппарата. Итоги исследований дают важную информацию, как для медиков, в случае анализа дефектов слуха, так и для инженеров для создания технических средств и условий комфортного восприятия звуков человеком.
Рисунок 2. Участок мозга, отвечающий за восприятие и анализ звуковВозмущения в воздухе, которые определяются как звук, могут характеризоваться очень широким диапазоном частот. Однако далеко не все они воспринимаются человеческим ухом.
Рисунок 3. Область звуков, воспринимаемая человеческим ухом -
Электроакустика
Электроакустика - раздел акустики, который связан с разработкой и созданием различных электрических устройств, которые предназначены для создания, регистрации, восприятия и хранения звуковой информации.
Первые электроакустические приборы были созданы в последней четверти $XIX$ века. В $1976$ году был создан электромагнитный телефон, а в $1878$ году - угольный микрофон.
В дальнейшем, с использованием таких физических явлений как электромагнитная индукция, пьезоэффект, магнитострикция, термоэлектрический эффект удалось создать широкую палитру приборов, позволяющих превращать звуковые колебания в электрические и наоборот, сохраняя все характеристики таких колебаний.
-
Ультразвуковое исследование
Знания из различных разделов акустики, широко используются, как для диагностической цели, так и для организации терапевтических процедур. В этом случае используются звуковые сигналы в широком диапазоне частот. Значительное внимание в медицинской акустике уделяется также изучению воздействия на организм человека звуков и вибраций различной интенсивности.
Вычислите длину волны сигналов, испускаемых летучими мышами и дельфинами.
Решение:
\[v_1=100\ кГц\] \[v_2=1\ МГц\]Для летучих мышей длина волны:
\[{\lambda }_1=\frac{1531}{{10}^6}=1,5\cdot {10}^{-3}м=1,5\ мм\]Для дельфинов длина волны:
\[{\lambda }_2=\frac{343}{{10}^5}=3,43\cdot {10}^{-3}м=3,43\ мм\]Ответ: ${\lambda }_1=1,5\ мм$, ${\lambda }_2=3,43\ мм$.
