Акустика. Физика звука

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

1. 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 звуков

   Возмущения 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

2. 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.

3. 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.