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