Физическая акустика что это

акустика

АКУСТИКА (от греч. akustikos — слуховой) — область физики, в к-рой исследуются упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких (10 12 -10 13 Гц), процессы их возбуждения и распространения, взаимодействие их с веществом и разнообразные применения.

А.- одна из самых древних областей знания. Она возникла за неск. веков до н. э. как учение о звуке, т. е. об упругих волнах, воспринимаемых человеческим ухом (отсюда и происхождение назв. «А.»). Начало становления А. как физ. науки (17 в.) связано с исследованиями системы, музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), с измерениями скорости распространения звука. До нач. 20 в. А. развивалась как раздел механики. Создавалась общая теория ме-ханич. колебаний, излучения и распространения звуковых волн в среде, разрабатывались методы измерений параметров звуковых волн — звукового давления, потока энергии, скорости распространения. Диапазон исследуемых упругих волн расширился и охватил области ниже (инфразвук) и выше (ультразвук) области слышимых частот. Создание методов разложения сложного колебат. процесса на простые составляющие (метод Фурье) заложило основы анализа звука н синтеза сложного звука из простых составляющих. Весь этот классич. этап развития А. подытожен к нач. 20 в. Рэлеем (Дж. У. Стретт, J. W. Strutt).

Новый этап развития А. начался в 20-е гг. 20 в. в связи с развитием радиотехники и радиовещания, к-рые вызвали необходимость разработки методов и средств преобразвания эл—магн. энергии в акустическую, и обратно. В связи с развитием электроники и физики строения вещества возникли новые направления в А.

В совр. А. можно выделить ряд разделов. Общие закономерности излучения, распространения и приёма упругих колебаний п волн изучает теория звука, широко использующая матем. методы, разработанные в общей теории колебаний и волн. Наряду с волновым подходом для рассмотрения задач распространения звука в определ. условиях (малость длины волны по сравнению с масштабом препятствий) пользуются и представлениями о звуковых лучах. По этому методич. признаку из общей теории звука выделяется раздел лучевой А., или геометрической акустики (аналогично геом. оптике).

Применительно к различным характерным моделям сред распространения волн и адекватным им методам рассмотрения акустич. полей сформировались такие направления теории звука, как статистич. А., акустика движущихся сред, кристаллоакустика. Быстро развивается нелинейная акустика ,связанная с изучением волн большой амплитуды, для к-рых свойства среды нельзя, как при классич. подходе, считать неизменными; сами звуковые волны большой интенсивности возмущают среду, вследствие чего нарушается принцип суперпозиции и возникает взаимодействие разл. волновых мод. Развитие нелинейной А. обусловлено, в частности, мощным техн. прогрессом и возникшей необходимостью рассмотрения излучения звука источниками большой мощности.

Важнейший раздел А., наиб. тесно связанный с другими ведущими областями совр. физики,- физ. А., занимающаяся изучением особенностей распространения упругих волн в веществе — газообразном, твёрдом или жидком, исследованием взаимодействия волн с веществом на разных уровнях, в частности акустоэлектронного взаимодействия, акустооптического, фонон-фононного взаимодействия и др. видов взаимодействия упругих волн с квазичастицами. Подразделами физ. А. являются молекулярная акустика ,квантовая А., оптоакустика и др. Методы физ. А.- неотъемлемая часть арсенала эксперим. средств совр. физики.

Распространение акустич. волн в естеств. средах — атмосфере, водах Мирового океана, в земной коре и связанные с этим явления изучаются в атмосферной акустике, гидроакустике, геоакустике. Акустич. волны являются важнейшим средством зондирования этих сред, средством получения информации об их строении и о наличии в них разнообразных включений. К гидроакустике тесно примыкает такая важная и широко развитая прикладная область, как гидролокация.

Электроакустика изучает вопросы эл—акустич. преобразований и связана со всеми др. областями А., т. к. аппаратура для разл. видов акустич. измерений, как правило, базируется на преобразовании акустич. сигналов в электрические, а способы излучения звука в большинстве случаев основаны на преобразовании электрич. энергии в акустическую. К электроакустике относится и изучение фундам. физ. вопросов, связанных с эффектами эл—механич. и эл—акустич. преобразований в веществе, поэтому здесь она тесно смыкается с физ. А.

К прикладным областям А. можно отнести архитектурную А., строительную А., музыкальную А., а также весьма большой раздел совр. А., связанный с изучением шумов и вибраций и созданием методов борьбы с ними. Изучение аэродинамич. генерации шумов большой интенсивности относится к проблемам нелинейной акустики; здесь имеется также самая тесная связь с совр. аэродинамикой, так что иногда говорят о спец. разделе А.- аэроакустике.

Огромное прикладное значение как в технике физ. эксперимента, так и в промышленности, на транспорте, в медицине и др. имеет т. н. УЗ-техника (см. Ультразвук ).В устройствах УЗ-техники используются как ультразвуковой, так и гиперзвуковой, а частично и звуковой диапазоны частот. УЗ применяется как средство воздействия на вещество (напр., УЗ-технология в промышленности, терапия и хирургия в медицине), для получения информации (контрольно-измерит. применения УЗ, УЗ-диагностика, гидролокация), обработки сигналов (акустоэлектроника, акустооптика).

Особый раздел А.- биол. А.- занимающаяся вопросами распространения акустич. волн в живых тканях, воздействия УЗ на биоткань, изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов у живых организмов. Исследованием органов и процессов звуковосприятия и звукоизлучения у человека, а также проблемами речеобразования, передачи и восприятия речи занимается физиологич. и психологич. А. Результаты этих исследований используются в звукотехнике, архитектурной А., при разработке систем передачи речи, в теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п.

Лит.: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1-2, М., 1955; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, [под ред. У. Мэзона и Р. Терстона], пер. с англ., т. 1-7, М., 1966-74; Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, [кн. 1-3], М., 1967-70; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973; Эльпинер И. Е., Биофизика ультразвука, М., 1973; Руденко О. В., Солуян С. И., Теоретические основы нелинейной акустики, М., 1975; Скучик Е., Основы акустики, пер. с англ., т. 1-2, М., 1976; Тэйлор Р., Шум, [пер. с англ.], М., 1978; Урик Р. Д., Основы гидроакустики, пер. с англ., Л., 1978; Бреховских Л. М., Лысанов Ю. П., Теоретические основы акустики океана, Л., 1982; Xаясака Т., Электроакустика, пер. с япон., М., 1982. И. П. Голямина.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Физическая акустика

Физическая акустика по существу является учением об упругих волнах, основы которого были изложены в предыдущей главе. Для характеристики звука в акустике используются частота v звуковой волны ( или спектр частот v в случае сложной несинусоидальной звуковой волны) и интенсивность звука. [1]

Физическая акустика по существу является учением об упругих волнах, основы которого были изложены в предыдущей главе. Для численной характеристики звука в акустике используются частота v звуковой волны ( или спектр частот v в случае сложной несинусоидальной звуковой волны) и интенсивность звука. [2]

Сцабо и других в области физической акустики . [3]

Первый круг вопросов является предметом исследования физической акустики , а второй — физиологической акустики. [4]

Применительно к звуковым колебаниям в число задач физической акустики входит и выяснение физических явлений; обусловливающих те или иные качества звука, различаемые на слух. [5]

Применительно к звуковым колебаниям в число задач физической акустики входит и выяснение физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различаемые на слух. [6]

Применительно к звуковым колебаниям в число задач физической акустики входит и выяснение свойств физических явлений, обусловливающих те или иные качества звука, различаемые на слух. [7]

Основополагающие исследования в этот период были проведены в области оптики и физической акустики . Ньютон впервые выдвигает гипотезу о световых корпускулах, исследует интерференционные цвета тонких пластинок, устанавливает понятие о простых, монохроматических цветах и дает теоретический вывод для скорости звука. Первоначальные основы волновой оптики были разработаны Гюйгенсом. [8]

Эрнст ( 1838 — 1916) — австрийский физик и философ, автор трудов по основам механики, физической акустике , оптике, газовой динамике. Экспериментально подтвердил существование ударных волн в воздухе при взрывах и при сверхзвуковом обтекании тел. [9]

Под высотой тона понимают его расположение на некоторой шкале. В физической акустике , музыке и психоакустике применяют свои шкалы. [10]

Еще одним потенциальным источником погрешностей измерения является зависимость параметров среды от температуры и статического давления. Этот источник погрешностей детально исследован в физической акустике , однако он редко учитывался при измерениях в биологических средах. В частности, автору не известны какие-либо работы, посвященные исследованию зависимости коэффициента затухания от давления в биологических тканях. [11]

Изучая природу устной речи, фонетика использует средства наблюдения и эксперимента. Устные средства речи составляют ее материальную основу и относятся к области физической акустики . [12]

Интересно, что углубление познания какого-нибудь частного явления, не говоря уже о крупном разделе науки, приводит к необходимости интеграции все большего и большего количества наук. Очень показательно в этом смысле развитие акустики, а точнее ее раздела — физической акустики . Но сейчас исследование интенсивного ультразвука привело к исследованию нелинейных резонансных явлений, кавитйции, высокоскоростного соударения струй, исследованию плазмы, высокотемпературного излучения ( например, при сонолюминесценции пузырьков газа), ускорению химических реакций ультразвуковыми воздействиями. [13]

Для решения поставленных задач должна быть разработана аппаратура, которая позволяла бы контролировать вибрационное воздействие в течение рабочего дня. Еще сравнительно недавно измерения вибрации машин осуществлялись аппаратурой и методами, принятыми в физической акустике . Фактически вся информация о вибрационном воздействии ( в том числе и нормативная документация, разработанная на ее основании) была получена в лабораторных условиях. [14]

Термин звук применяется также для обозначения того ощущения, которое производит звуковая волна на наши органы слуха. Таким образом, рассматривая любое акустическое явление, нужно помнить, что, с одной стороны, звук — это физический процесс распространения упругих волн в среде, а с другой — психофизиологический процесс, обусловленный указанным выше физическим процессом. Первый круг вопросов является предметом исследования физической акустики , а второй — физиологической акустики. [15]

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

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