Акустика. Физика звука
Ранние исследования в акустике
Акустика – наука о звуке. Предмет её – физическая природа звука, а также проблемы его возникновения, распространения, воздействия, восприятия.
Слух – одно из важнейших средств выживания в дикой природе. Вместе с тем, речь – одна из ключевых черт, указывающих на развитие и культуру человека. Исходя из этого, наука о звуке имеет отношение ко многим сферам человеческого бытия – к музыке, промышленности, медицине, архитектуре и много чему ещё.
Ранние исследования в акустике
Около 20 года до нашей эры инженер и архитектор Витрувий написал труд про акустические характеристики театров. Среди прочего были затронуты темы эха и интерференции.
Понимание акустических явлений с точки зрения физики ускорилось после научной революции. Этому способствовало формулирование закона вибрирующих струн в основном Галилеем, а также независимо от него Мерсенном. Примерно тогда же (первая половина 17 века) Ньютоном были выведены соотношения, описывающие скорость распространения волны в твёрдых телах. Это стало важнейшей частью физической акустики.
Физическая акустика
Это одна из частей акустики, исследующая взаимодействие акустических волн и различными средами (газообразными, жидкими, твёрдыми) на макроуровне и микроуровне. Физическая акустика занимается решением двух видов проблемных вопросов. Исходя из формулировки описывающих их математических моделей и целей исследования, их считают либо прямыми, либо обратными задачами. В прямых задачах известны характеристики вещества, в котором происходит распространение звуковых волн. Целью исследования при решении обратных задач выступает поиск сведений касательно внутренних характеристик среды распространения звука.
Основные разделы акустики
Акустика физиологическая и психологическая.
Психологическая акустика (психоакустика) исследует особенности восприятия и обработки нервных импульсов мозга. Понимание воспроизводимых звуков зависит от строения речевого аппарата. Результаты исследований могут быть полезны для медиков (касательно проблем со слухов), для инженеров (разработка технических средств восприятия звука человеком).
Колебания в воздухе, являющиеся звуком, могут иметь весьма широкий частотный диапазон. Но воспринимаются ухом человека далеко не все частоты.
Электроакустика
Электроакустика также выступает разделом акустики. В его рамках исследуется разработка и создание электрических приборов, обрабатывающих звуковую информацию.
Начало создания таких устройств – последняя четверть 19 века. 1878 год – время создания угольного микрофона. 1976 год – электромагнитного телефона.
Позднее создаётся немалое число приборов, сохраняющих, воспроизводящих, создающих и воспринимающих звуковые колебания. Это стало возможным из-за развития науки и техники и открытия принципов таких явлений как термоэлектрический эффект, пьезоизлучение, магнитострикция, электромагнитная индукция.
Ультразвуковое исследование
Сведения, ставшие достоянием тех или иных разделов науки о звуке, активно применяются в медицине и для диагностики, и для непосредственного лечения. В таких случаях используют звук в широком частотном диапазоне. В медицинской акустике немалое внимание направлено на рассмотрение воздействия звуков и вибраций широкого спектра интенсивности на организм человека.
Пример 1
Определить длину волны испускаемых летучими мышами и дельфинами сигналов.
Решение:
Длина волны в случае с летучими мышами:
Длина волны в случае с дельфинами:
Ответ: