Что такое физическая акустика

Акустика — физика звука

Звук — продольные упругие волны в среде с частотой до многих мегегерц (гиперзвуковой поток фононов).

Акустика — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием.

Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующее упругие колебания и волны от самых низких (от 0 Гц) до высоких частот.

Акустические колебания, наряду с электромагнитными, являются основными модулирующими факторами в функционировании биосферы и ноосферы.

Разделы страницы о свойствах звука и распространении акустических колебаний:

• Акустическая шкала
• Основные и междисциплинарные направления акустики
• Акустические исследования на макроскопическом и микроскопическом уровнях
• Новости акустики
• Статьи по акустике

Акустическая шкала

Гиперзвук — упругие волны с частотами от 101000 до 1012—1018 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц — фононов.

В природе он генерируется колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки, а длина его волны равна среднему пробегу молекулы до ее столкновенияч с другой.

Ультразвук — с частотой больше 20 кГц.

Обычный звук (слышимый человеческим ухом) — от 20 ГЦ до 20 кГц.

Инфразвук — с частотой меньше 20 Гц.

Основные и междисциплинарные направления акустики

Основными направлениями акустики являются:

1. Общая (физическая) акустика — теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.
2. Геометрическая акустика — раздел акустики, предметом изучения которого являются законы распространения звука. В основе лежит представление о том, что звуковые лучи — это линии, касательные к которым совпадают с направлением распространения энергии акустических колебаний.

Кроме того, на основе акустики возникло много междисциплинарных научных направлений:

1. Архитектурная акустика — законы распространения звука в помещениях, методы управления структурой поля и т. д.
2. Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчёт конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).
3. Психоакустика — основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа».
4. Музыкальная акустика — проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке.
5. Биоакустика — теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.
6. Электроакустика — раздел прикладной акустики, занимающийся теорией, методами расчёта и созданием электроакустических преобразователей.
7. Аэроакустика (авиационная акустика) — излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях.
8. Гидроакустика — распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.
9. Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолётах, поездах, автомобилях и др.).
10. Медицинская акустика — разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы).
11. Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в том числе ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.
12. Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах.
13. Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.
14. Цифровая акустика — связана с созданием микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.

В Википедии Акустику с гидродинамикой объединяют в механику сплошных сред, но это неверно, т.к. основа акустики — природа колебаний, которые рассматриваются в разделе механики.

Акустические исследования на макроскопическом и микроскопическом уровнях

Интересными направлениями исследований в акустике на макроскопическом уровне являются:

• распространение звука в движущихся средах
• рассеяние звука на неоднородностях среды и распространение звука в неупорядоченных средах
• характер макроскопических течений в поле звуковой волны
• поведение вещества в поле сильной ультразвуковой волны, кавитационные явления

На микроскопическом уровне упругое колебание среды описывается фононами — коллективными колебаниями атомов или ионов. В металлах и полупроводниках такие колебания ионов приводят и к колебаниям электронной жидкости, то есть, на макроскопическом уровне, звук может порождать электрический ток. Подраздел акустики, изучающий такие явления и возможности их использования, называется акустоэлектроникой.

Другое близкое по духу направление исследования — акустооптика, то есть изучение взаимодействия звуковых и световых волн в среде, в частности, дифракция света на ультразвуке.

Источник

Понятие акустики в физике

Вы будете перенаправлены на Автор24

В целом акустика является наукой о звуках. Звуки во все времена играли особую роль в жизни любого человека, так как они позволяют людям ориентироваться в пространстве, общаться, смотреть фильмы и слушать любимую музыку.

Рисунок 1. Разновидности акустики.. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Использование акустики востребовано абсолютно всеми областями, начиная от строительства, заканчивая медициной. Данный научный раздел изучает колебания звуковых волн, принципы их формирования и распределения.

Акустика – обширная область физики, которая исследует упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких.

Человек начинает слышать звук при постоянных колебаниях, производимых с определенной частотой. Одно из основных определений акустики – это звуковая волна, которая представляет собой вибрации, давление которых непосредственно зависит от источника. Например, сигнал автомобильного клаксона осуществляется с более высоким колебанием, чем человеческий шепот. Сила звука всегда определяется в децибелах.

Современная акустика охватывает достаточно широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд таких важных подразделов:

• физическая акустика — изучает особенности распространения упругих волн в различных пространствах;
• физиологическая акустика — описывает устройство и работу звукообразующих и звуковоспринимающих органов у человека и животных.

В более узком смысле слова под акустикой следует понимать учение о звуке, то есть об упругих вибрациях в газах, твердых телах и жидкостях, воспринимаемых человеческим ухом. Звуковая волна способна отражаться от поверхностей, рассеиваться в них или поглощаться. Параметр отражения силы звука определяется тем, какие акустические характеристики она имеет и что было пройдено звуковой волной.

Готовые работы на аналогичную тему

Природа звука и его физические характеристики

Рисунок 2. Физические характеристики звука. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Звуковые волны и колебания — частный случай механических изменений. Однако в связи с важностью акустических определений для правильной оценки слуховых ощущений, а также из-за медицинского приложения целесообразно будет некоторые вопросы разобрать более детально.

На сегодняшний день принято различать следующие звуки:

• тоны, или музыкальные звуки;
• шумы;
• звуковые удары.

Тоном представляет собой периодический процесс звука. Если этот процесс вполне гармонический, то тон называется чистым или полным, а соответствующая звуковая плоская волна описывается соответствующим уравнением. Ключевой физической характеристикой такого вида звука является частота. Ангармоническому колебанию соответствует сложный тон. Простой тон формирует, например, камертон, а вот сложный тон возможно услышать благодаря музыкальным инструментам.

Наименьшая частота разложения сложного тона на более простые структурные единицы соответствует основному тону, остальные обертоны в этом случае имеют частоты, равные $2νο$, $3νο$ и так далее.

Набор колебаний с указанием их конкретной интенсивности (амплитуды А) называется в физике акустическим спектром.

Спектр сложного тона всегда линейчатый. Таким образом, акустический спектр — одна из важнейших физических характеристик музыкальных звуков, так как она способна отличаться сложной неповторяющейся временной зависимостью.

К шуму исследователи относят звуки от вибрации автомобилей, аплодисменты, шорох, пламя горелки, скрип, согласные звуки речи и так далее. Этот звуковой вид можно рассматривать как сочетание хаотично изменяющихся сложных тонов

Звуковой удар — это кратковременное равномерное звуковое воздействие в виде взрыва или хлопка.

Не следует путать звуковой удар с ударной волной, частота которой значительно выше.

Волновая природа звука

Рисунок 3. Волновая природа звука. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Чтобы лучше определить систему появления звуковой волны, необходимо представить находящийся в трубе классический динамик, который до краев наполнен воздухом. Если это устройство совершит внезапное движение вперёд, то находящийся в непосредственной близости воздух на какое-то мгновение сжимается. После этого воздушная прослойка расширится, толкая собой сжатую область воздуха вдоль по трубе.

Вот такое волновое движение и станет впоследствии звуком, когда доберется до слухового органа и «взбудоражит» барабанную перепонку. При возникновении звуковой волны в газе формируется избыточное внутреннее давление, ненужная плотность и происходит трансформация частиц с постоянной скоростью. При изучении звука и его особенностей важно помнить то обстоятельство, что материальное вещество не перемещается пропорционально звуковой волне, а появляется только временное возмущение действующих воздушных масс.

Если частицы вибрируют вдоль направления распределения волны, то волновой звук называется продольным, если же они колеблются прямо перпендикулярно направлению волнового распространения, то волна называется поперечной.

Обычно звуковые тоны в жидкостях и газах – продольные, в твердых же физических телах возможно формирование волн обоих типов. Поперечные волны в материальных телах возникают посредством сопротивления к изменению изначальной формы. Ключевая разница между указанными двумя типами волн состоит в том, что поперечная волна оснащена свойством поляризации, а продольная – нет.

Основные направления современной акустики

Многочисленные и многолетние научные труды по изучению природы шума и вопросам шумоизоляции были опубликованы некоторое время спустя после их проведения. Первые работы в этой сфере касались только звуков, которые производятся авиационной техникой и наземным транспортом. Но постепенно границы звуковых исследований значительно расширились. В настоящее время большинство промышленно-развитых государств имеют свои научно-исследовательские университеты, занимающиеся созданием новых устройств и разработкой решения данных проблем.

Ученые выделяют такие основные разделы акустики:

• общая;
• архитектурная;
• геометрическая;
• строительная;
• музыкальная;
• психологическая;
• биологическая;
• электрическая и авиационная;
• медицинская;
• квантовая.

Акустика изучает такие физические явления, как формирование, распространение, ощущение звуковых волн и различные эффекты, напрямую производимые звуком на органы слуха. Как и все прочие научные отрасли, акустика обладает собственным понятийным аппаратом. Вместе с тем она также считается междисциплинарным разделом, то есть имеет тесные взаимосвязи с другими сферами знаний.

Наиболее отчётливо и понятно прослеживается взаимодействие акустики с архитектурой, механикой, теорией музыки, электроникой и математикой. Основные формулы акустики непосредственно касаются характеристик распространения звуковых волн в условиях упругой постоянной среды: уравнения стоячей и плоской волн, формулы точного расчёта скорости волн.

Источник

Акустика. Физика звука

Как мы слышим? Какова скорость звука? Как он распространяется? На все эти вопросы отвечает отдельная наука о природе звука — акустика.

Что такое акустика

Акустика — наука о физической природе звука.

Но что такое звук? Звук — механические колебания, распространяющиеся в виде упругой волны в жидкой, твердой или газообразной среде.

Характеристики звука

Звуковые волны, в зависимости от их спектра, делятся на шумы и музыкальные звуки.

Традиционно, звуком называют колебания определенной частоты, воспринимаемые слухом человека. Диапазон частот колебаний, которое воспринимает ухо: от 20 до 20000 Герц. Данное деление условно и границы диапазона не являются четкими, все зависит также от индивидуальных особенностей слуха каждого человека. Речь и большинство звуков, которые мы слышим, лежат в пределах около 4000-5000 Герц.

Ниже границы в 20 Герц лежит область инфразвука, а выше верхней границы слышимого диапазона — область ультразвука.

Частота ϑ связана с длиной волны λ соотношением λ = V ϑ , где V — скорость распространения звука в среде.

Помимо частоты и длины волны звук характеризуется громкостью. Громкость (уровень звукового давления) измеряется в децибелах.

Децибел — логарифмическая единица измерения громкости звука, одна десятая часть белла.

1 D b = 20 l g p 20 м к П а , где p — измеренное звуковое давление, 20 мкПа — минимальное звуковое давление, при котором человек слышит звук.

Современные направления акустики

Акустика изучает вопросы распространения звуковых волн в различных средах и прикладные проблемы, связанные с этим. Исследования в области акустики проводились еще в глубокой древности. Доказательством тому служит факт построения античных амфитеатров таким образом, чтобы зрители даже на высоких трибунах могли слышать речь актеров.

В настоящее время акустика разделяется на множество направлений, таких как:

Источник