Акустика

(от греч. akustikos - слуховой).

Область физики, в которой исследуются упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких (10¹²-10¹³ Гц), процессы их возбуждения и распространения, взаимодействие их с веществом и разнообразные применения.

Акустика - одна из самых древних областей знания. Она возникла за несколько веков до н. э. как учение о звуке, т.е. об упругих волнах воспринимаемых человеческим ухом (отсюда и происхождение названия акустика). Начало становления акустики как физической науки (17 в.) связано с исследованиями системы музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), с измерениями скорости распространения звука. До начала 20 века акустика развивалась как раздел механики. Создавалась общая теория механических 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 колебательного процесса на простые составляющие (метод Фурье) заложило основы анализа звука и синтеза сложного звука из простых составляющих. Весь этот классический этап развития акустики подытожен к началу 20 в. Рэлеем (Дж.У.Стретт, J.W.Strutt).

Новый этап развития акустики начался в 20-е гг. 20 в. в связи с развитием радиотехники и радиовещания, которые вызвали необходимость разработки методов и средств преобразования электромагнитной энергии в акустическую, и обратно. В связи с развитием электроники и физики строения вещества возникли новые направления в акустике.

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

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

Важнейший раздел акустики, наиболее тесно связанный с другими ведущими областями современной физики, - физическая акустика, занимающаяся изучением особенностей распространения упругих волн в веществе - газообразном, твердом 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 физической акустики являются молекулярная акустика, квантовая акустика, оптоакустика и др. Методы физической акустики - неотъемлемая часть арсенала экспериментальных средств современной физики.

Распространение акустических волн в естественных средах - атмосфере, водах Мирового океана, в земной коре и связанные с этим явления изучаются в атмосферной акустике, гидроакустике, геоакустике. Акустические волны являются важнейшим средством зондирования этих сред, сродством 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 электроакустических преобразований и связана со всеми другими областями акустики, т. к. аппаратура для различных видов акустических измерений, как правило, базируется на преобразовании акустических сигналов в электрические, а способы излучения звука в большинстве случаев основаны на преобразовании электрической энергии в акустическую. К электроакустике относится и изучение фундаментальных физических вопросов, связанных с эффектами электромеханических и электроакустических преобразований в веществе, поэтому здесь она тесно смыкается с физической акустикой.

Огромное прикладное значение как в технике физического 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 (например, УЗ-технология в промышленности, терапия и хирургия в медицине), для получения информации (контрольно-измерительные применения УЗ, УЗ-диагностика, гидролокация), обработки сигналов (акустоэлектроника, акустооптика).

Особый раздел акустики - биологическая акустика - занимающаяся вопросами распространения акустических 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 физиологическая и психологическая акустика. Результаты этих исследований используются в звукотехнике, архитектурной акустике, при разработке систем передачи речи, в теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п.