Войти
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, а кто-либо, работающий в области акустических технологий, может быть назван инженером-акустиком. Применение акустики присутствует практически во всех сферах жизни современного общества, наиболее очевидными из которых являются отрасли контроля шума и.
Слух - одно из важнейших средств выживания в животном мире, а речь - одна из самых отличительных характеристик человеческого развития и культуры. Соответственно, наука об акустике распространяется на многие аспекты человеческого общества - музыку, медицину, архитектуру, промышленное производство, войну и многое другое. Точно так же такие виды животных, как певчие птицы и лягушки, используют звук и слух как ключевой элемент брачных ритуалов или обозначения территорий. Искусство, ремесло, наука и технологии побуждали друг друга к развитию целого, как и во многих других областях знания. Роберт Брюс Линдсей «Колесо акустики» представляет собой общепризнанный обзор различных областей акустики.
Слово «акустический» происходит от греческого слова ἀκουστικός (akoustikos), означающего «для слышания, готовый слышать», и от ἀκουστός (akoustos), «слышимый, слышимый», которое, в свою очередь, происходит от глагол ἀκούω (akouo), «Я слышу».
Латинский синоним - «sonic», после которого термин sonicsраньше был синонимом акустики, а позже - отраслью акустики. Частоты выше и ниже слышимого диапазона называются «ультразвуковым » и «инфразвуковым » соответственно.
В VI веке до нашей эры, древнегреческий философ Пифагор хотел знать, почему некоторые комбинации музыкальных звуков казались более красивыми, чем другие, и нашел ответы в терминах числовых соотношений, представляющих гармонические серии обертонов на веревочке. Считается, что он заметил, что, когда длины вибрирующих струн выражаются как отношения целых чисел (например, от 2 до 3, от 3 до 4), производимые тона будут гармоничными, и чем меньше целые числа, тем гармоничнее будут звуки. Например, струна определенной длины будет особенно гармонично звучать со струной вдвое большей длины (при прочих равных). Говоря современным языком, если струна звучит как нота C при щипке, струна вдвое длиннее будет звучать C на октаву ниже. В одной системе музыкальной настройки промежуточные тоны задаются соотношением 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.
Аристотель (384–322 до н.э.) понимал, что звук состоит из сжатий и разрежений воздуха, который «падает на воздух, находящийся рядом с ним, и ударяет по нему.. », очень хорошее выражение характера движения волны. On Things Heard, обычно приписываемый Strato of Lampsacus, утверждает, что высота звука связана с частотой колебаний воздуха и скоростью звука.
Примерно в 20 г. до н.э. римский архитектор и инженер Витрувий написал трактат об акустических свойствах театров, включая обсуждение интерференции, эха и реверберации - начало архитектурной акустики. В Книге V своей De Architectura (Десять книг архитектуры) Витрувий описывает звук как волну, сравнимую с волной воды в трех измерениях, которая, когда ее прерывают препятствия, текла бы обратно и распадалась вслед за ней. волны. Он описал восходящие сиденья в древних театрах как предназначенные для предотвращения этого ухудшения звука, а также рекомендовал размещать в театрах бронзовые сосуды соответствующих размеров, чтобы они резонировали с четвертой, пятой и т. Д., Вплоть до двойной октавы, чтобы резонировать с более желанные, гармоничные ноты.
В золотой век ислама считается, что Абу Райхан аль-Бируни (973-1048) постулировал, что скорость звука была намного медленнее, чем скорость
Принципы акустики применялись с древних времен: Римский театр в городе Амман.Физическое понимание акустических процессов быстро продвигалось во время и после Научная революция. В основном Галилео Галилей (1564–1642), но также и Марин Мерсенн (1588–1648) независимо друг от друга открыли полные законы вибрации струн (завершая то, что Пифагор и Пифагорейцы появились на 2000 лет раньше). Галилей писал: «Волны производятся вибрациями звучного тела, которые распространяются по воздуху, принося в барабанную перепонку уха раздражитель, который разум интерпретирует как звук», замечательное утверждение, указывающее на истоки физиологической и психологической акустики. Экспериментальные измерения скорости звука в воздухе были успешно выполнены между 1630 и 1680 годами рядом исследователей, в первую очередь Мерсенном. Между тем, Ньютон (1642–1727) вывел соотношение для скорости волны в твердых телах, краеугольный камень физической акустики (Principia, 1687).
Существенный прогресс в акустике, основанный на более твердых математических и физических концепциях, был достигнут в восемнадцатом веке Эйлером (1707–1783), Лагранж (1736–1813) и Даламбер (1717–1783). В эту эпоху физика континуума, или теория поля, начала получать определенную математическую структуру. Волновое уравнение возникло во многих контекстах, включая распространение звука в воздухе.
В девятнадцатом веке главными фигурами математической акустики были Гельмгольц в Германии, который объединил область физиологическая акустика и лорд Рэлей в Англии, который объединил предыдущие знания с его собственным огромным вкладом в эту область в своей монументальной работе «Теория звука» (1877). Также в 19 веке Уитстон, Ом и Генри провели аналогию между электричеством и акустикой.
В двадцатом веке бурно развивалось технологическое применение огромного массива научных знаний, которые к тому времени уже существовали. Первым таким приложением была новаторская работа Сабины в области архитектурной акустики, за которой последовали многие другие. Подводная акустика использовалась для обнаружения подводных лодок в Первую мировую войну. Звукозапись и телефон сыграли важную роль в глобальной трансформации общества. Звуковые измерения и анализ достигли нового уровня точности и сложности благодаря использованию электроники и вычислений. Ультразвуковой частотный диапазон открыл новые возможности применения в медицине и промышленности. Были изобретены и внедрены новые виды преобразователей (генераторы и приемники акустической энергии).
Акустика определяется в ANSI / ASA S1.1-2013 как " (a) Наука о звуке, включая его производство, передачу и эффекты, включая биологические и психологические эффекты. (b) Те качества комнаты, которые вместе определяют ее характер в отношении слуховых эффектов ".
Изучение акустики вращается вокруг генерации, распространения и приема механических волн и вибраций.
Шаги, показанные на диаграмме выше, можно найти в любом акустическом событии или процессе. Есть много видов причин, как естественных, так и волевых. Есть 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 по всей распространяющейся среде. В конце концов эта энергия снова преобразуется в другие формы способами, которые снова могут быть естественными и / или преднамеренными. Конечный эффект может быть чисто физическим, а может доходить до биологической или волевой области. Пять основных шагов можно найти одинаково хорошо, говорим ли мы о землетрясении , подводной лодке, использующей сонар для определения местоположения противника, или о группе, играющей на рок-концерте.
Центральным этапом акустического процесса является распространение волн. Это относится к сфере 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 сначала изучает уровни давления и частоты в звуковой волне и как волна взаимодействует с окружающей средой. Это взаимодействие можно описать как дифракцию, интерференцию или отражение, или как сочетание трех. Если присутствует несколько сред, также может возникнуть преломление. Процессы преобразования также имеют особое значение для акустики.
В таких жидкостях, как воздух и вода, звуковые волны распространяются как возмущения в уровне давления окружающей среды. Хотя это нарушение обычно невелико, оно все же заметно для человеческого уха. Наименьший звук, который может слышать 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 так наши уши интерпретируют звук. То, что мы воспринимаем как «более высокие» или «более низкие» звуки, - это колебания давления, имеющие большее или меньшее количество циклов в секунду. В обычном методе акустических измерений акустические сигналы дискретизируются во времени, а затем представляются в более значимых формах, таких как октавные полосы или частотно-временные графики. Оба этих популярных метода используются для анализа звука и лучшего понимания акустического явления.
Весь спектр можно разделить на три части: аудио, ультразвуковой и инфразвуковой. Звуковой диапазон находится в пределах от 20 Гц до 20000 Гц. Этот диапазон важен, потому что его частоты могут быть обнаружены человеческим ухом. Эта серия имеет ряд применений, включая речевую связь 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, основаны на ультразвуковом диапазоне частот. На другом конце спектра самые низкие частоты известны как инфразвуковой диапазон. Эти частоты можно использовать для изучения геологических явлений, таких как землетрясения.
Аналитические инструменты, такие как анализатор спектра, облегчают визуализацию и измерение акустических сигналов и их свойств. Спектрограмма , созданная таким прибором, представляет собой графическое отображение изменяющихся во времени уровней давления и частотных профилей, которые придают конкретному акустическому сигналу его определяющий характер.
A преобразователь, представляет собой устройство для преобразования одной формы энергии в другую. В электроакустическом контексте это означает преобразование звуковой энергии в электрическую (или наоборот). Электроакустические преобразователи включают громкоговорители, микрофоны, датчики скорости частиц, гидрофоны и гидролокаторы проекторы. Эти устройства преобразуют звуковую волну в электрический сигнал или из него. Наиболее широко используемые принципы преобразования: электромагнетизм, электростатика и пьезоэлектричество.
Преобразователи в наиболее распространенных громкоговорителях (например, вуферы и твитеры ) - это электромагнитные устройства, которые генерируют волны с помощью подвешенной диафрагмы, управляемой электромагнитной звуковой катушкой, испускающей волны давления. Электретные микрофоны и конденсаторные микрофоны используют электростатику - когда звуковая волна ударяется о диафрагму микрофона, она перемещается и вызывает изменение напряжения. В ультразвуковых системах, используемых в медицинской ультрасонографии, используются пьезоэлектрические преобразователи. Они сделаны из специальной керамики, в которой механические колебания и электрические поля взаимосвязаны благодаря свойствам самого материала.
Акустик - эксперт в науке о звуке.
Есть много типов акустиков, но обычно у них Степень бакалавра или более высокая квалификация. Некоторые имеют степень в области акустики, другие поступают в эту дисциплину, изучая такие области, как физика или инженерия. Большая работа по акустике требует хорошего знания математики и естественных наук. Многие ученые-акустики занимаются исследованиями и разработками. Некоторые проводят фундаментальные исследования, чтобы расширить наши знания о восприятии (например, слух, психоакустика или нейрофизиология ) речи, музыки и шум. Другие ученые-акустики продвигают понимание того, как на звук влияет, когда он движется в окружающей среде, например Подводная акустика, Архитектурная акустика или Структурная акустика. Другие области работы перечислены в разделах ниже. Ученые-акустики работают в государственных, университетских и частных промышленных лабораториях. Многие продолжают работать в акустической инженерии. Для некоторых должностей, таких как Факультет (преподавательский состав), требуется доктор философии.
Эти субдисциплины представляют собой слегка измененный список из PACS (Физика и Схема классификации астрономии ) кодировка, используемая Акустическим обществом Америки.
Археоакустика, также известная как археология звука, - один из немногих способов испытать прошлое с помощью других органов чувств, помимо наших глаз. Археоакустика изучается путем тестирования акустических свойств доисторических памятников, включая пещеры. Егор Резкинов, звуко-археолог, изучает акустические свойства пещер с помощью естественных звуков, таких как гудение и свист. Археологические теории акустики сосредоточены на ритуальных целях, а также на способах эхолокации в пещерах. В археологии акустические звуки и ритуалы напрямую связаны, поскольку определенные звуки должны были приблизить участников ритуала к духовному пробуждению. Можно также провести параллели между росписями на стенах пещеры и акустическими свойствами пещеры; они оба динамичны. Поскольку археоакустика - довольно новый археологический объект, акустический звук все еще исследуется в этих доисторических местах.
Аэроакустика - это исследование шума, создаваемого движением воздуха, например, из-за турбулентности, и движения звука в жидком воздухе. Эти знания применяются в акустической инженерии для изучения способов снижения шума самолетов. Аэроакустика важна для понимания того, как работают духовые музыкальные инструменты.
Обработка акустических сигналов - это электронная обработка акустических сигналов. Приложения включают: активный контроль шума ; конструкция для слуховых аппаратов или кохлеарных имплантатов ; эхоподавление ; поиск музыкальной информации и перцепционное кодирование (например, MP3 или Opus ).
Архитектурная акустика (также известная как акустика здания) включает научное понимание того, как добиться хорошего звука в здании. Обычно он включает изучение разборчивости речи, конфиденциальности речи, качества музыки и снижения вибрации в искусственной среде.
Биоакустика - это научное исследование слуха и криков животных, а также того, как на животных влияет акустика и звуки их среды обитания.
Эта дисциплина является связаны с записью, обработкой и воспроизведением звука с помощью электроники. Это может включать такие продукты, как мобильные телефоны, крупномасштабные системы оповещения или системы виртуальной реальности в исследовательские лаборатории.
Экологическая акустика связана с шумом и вибрацией, вызываемыми железными дорогами, автомобильным движением, самолетами, промышленным оборудованием и развлекательными мероприятиями. Основная цель этих исследований - снизить уровень шума и вибрации окружающей среды. В настоящее время исследовательская работа также сосредоточена на позитивном использовании звука в городской среде: звуковые ландшафты и спокойствие.
Музыкальная акустика - это изучение физики акустических инструментов; обработка аудиосигнала, используемая в электронной музыке; компьютерный анализ музыки и композиции, а также восприятие и когнитивная нейробиология музыки.
Было проведено множество исследований для выявления взаимосвязи между акустикой и познанием, или более широко известной как психоакустика, в которой то, что человек слышит, представляет собой комбинацию восприятия и биологических аспектов. Информация, полученная при прохождении звуковых волн через ухо, воспринимается и интерпретируется мозгом, подчеркивая связь между разумом и акустикой. Психологические изменения были замечены, когда мозговые волны замедляются или ускоряются в результате различных слуховых стимулов, которые, в свою очередь, могут влиять на то, как человек думает, чувствует или даже ведет себя. Эту корреляцию можно увидеть в обычных повседневных ситуациях, когда прослушивание энергичной или ритмичной песни может привести к тому, что нога начнет постукивать, а более медленная песня может оставить ощущение спокойствия и безмятежности. При более глубоком биологическом взгляде на феномен психоакустики было обнаружено, что центральная нервная система активируется основными акустическими характеристиками музыки. Наблюдая за тем, как на центральную нервную систему, включая мозг и позвоночник, влияет акустика, становится очевидным путь, по которому акустика влияет на разум и, по сути, на тело.
Акустики изучают производство, обработку и восприятие речи. Распознавание речи и Синтез речи - две важные области обработки речи с помощью компьютеров. Предмет также перекликается с дисциплинами физика, физиология, психология и лингвистика.
Ультразвук работает со звуками на частотах, слишком высоких, чтобы их мог слышать человек. Специализация включает медицинское ультразвуковое исследование (включая медицинское ультразвуковое исследование ), сонохимию, определение характеристик материалов и подводную акустику (сонар ).
Подводная акустика - это научное исследование естественных и искусственных звуков под водой. Приложения включают гидролокатор для определения местоположения подводных лодок, подводную связь с китами, мониторинг изменения климата путем измерения температуры моря акустическим, звуковым оружие и морская техника биоакустика.
Это исследование того, как механические системы вибрируют и взаимодействуют с окружающей средой. Приложения могут включать: колебания земли 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 корпусный звук проходит через b uildings.
 | Викискладе есть медиафайлы по теме Акустика . |
 | Викиисточник содержит исходный текст, относящийся к этой статье: Акустика |
 | В Викиучебнике есть книга по темам: Акустика |
