АКУ́СТИКА

АКУ́СТИКА (от греч. ἀϰουστιϰός – слу­хо­вой), об­ласть фи­зи­ки и тех­ни­ки, изу­чаю­щая уп­ру­гие (зву­ко­вые) ко­ле­ба­ния и вол­ны в разл. сре­дах, их воз­бу­ж­де­ние и вос­при­ятие, рас­про­стра­не­ние, взаи­мо­дей­ст­вие со сре­дой, а так­же раз­но­об­раз­ное при­ме­не­ние.

А.– од­на из са­мых древ­них об­лас­тей зна­ния. Воз­ник­ла как уче­ние о слы­ши­мом зву­ке, вос­при­ни­мае­мом че­ло­ве­че­ским ухом. Аку­стич. яв­ле­ния – го­ло­са лю­дей и жи­вот­ных, шу­мы вет­ра и мо­ря, гром и т. п. – от­но­сят­ся к пер­вым ес­теств. про­цес­сам, ко­то­ры­ми за­ин­те­ре­со­ва­лись лю­ди. Они на­ча­ли соз­да­вать искусств. ис­точ­ни­ки зву­ка, эм­пи­ри­че­ски ус­та­нав­ли­вать осо­бен­но­сти его из­лу­че­ния и рас­про­стра­не­ния, ко­то­рые ис­поль­зо­ва­ли при из­го­тов­ле­нии муз. ин­ст­ру­мен­тов и при строи­тель­ст­ве об­ще­ст­вен­ных зда­ний (хра­мов, те­ат­ров). Так, Пи­фа­гор (6 в. до н. э.) об­на­ру­жил связь ме­ж­ду вы­со­той зву­ка и дли­ной стру­ны или тру­бы; Ари­сто­тель (4 в. до н. э.) ус­та­но­вил, что рас­про­стра­не­ние зву­ка со­про­во­ж­да­ет­ся сжа­ти­ем и раз­ре­же­ни­ем воз­ду­ха, а эхо обу­слов­ле­но от­ра­же­ни­ем зву­ка от пре­пят­ст­вий. Ле­о­нар­до да Вин­чи (15–16 вв.) ис­сле­до­вал от­ра­же­ние зву­ка, сфор­му­ли­ро­вал не­за­ви­си­мость рас­про­стра­не­ния зву­ко­вых волн от раз­ных ис­точ­ни­ков.

Ста­нов­ле­ние А. как фи­зич. нау­ки на­ча­лось в 17 в. с изу­че­ния сис­те­мы муз. то­нов и их ис­точ­ни­ков, из­ме­ре­ния ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния зву­ка (Г. Га­ли­лей, М. Мер­сенн). В по­сле­дую­щие два ве­ка А. раз­ви­ва­лась как раз­дел ме­ха­ники: на ба­зе за­ко­нов ме­ха­ни­ки Нью­тона, за­ко­на уп­ру­го­сти Гу­ка и прин­ци­па Гюй­ген­са для вол­но­во­го дви­же­ния (см. Гюй­ген­са – Фре­не­ля прин­цип) бы­ла соз­да­на тео­рия из­лу­че­ния и рас­про­стра­не­ния аку­стич. волн в сре­де, раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды из­ме­ре­ния, за­ло­же­ны ос­но­вы ана­ли­за и син­те­за зву­ка (И. Нью­тон, Т. Юнг, П. Ла­п­лас, О. Фре­нель, Л. Эй­лер, Д. Бер­нул­ли, Г. Гельм­гольц). Клас­сич. этап раз­ви­тия А. по­ды­то­жен Дж. У. Рэ­ле­ем в его тру­де «Тео­рия зву­ка» (1877–78).

К кон. 19 – нач. 20 вв. от­но­сит­ся но­вый этап раз­ви­тия А. Он свя­зан с от­кры­ти­ем воз­мож­но­сти пре­об­ра­зо­ва­ния аку­стич. сиг­на­лов в элек­тро­маг­нит­ные и об­рат­но. Толч­ком к это­му по­слу­жи­ли изо­бре­те­ния зву­ко­за­пи­си (Т. А. Эди­сон), те­ле­фо­на и мик­ро­фо­на (А. Г. Белл и др.). Но­вое на­прав­ле­ние в А., свя­зан­ное на на­чаль­ной ста­дии с раз­ви­ти­ем ра­дио­тех­ни­ки и ра­дио­ве­ща­ния, сти­му­ли­ро­ва­ло бур­ное раз­ви­тие как при­клад­ной, так и фун­дам. А., уве­ли­чив и пре­об­ра­зо­вав ар­се­нал ис­поль­зуе­мых в ней экс­пе­рим. средств. Не­из­ме­ри­мо рас­ши­рил­ось при­ме­не­ние аку­стич. ме­то­дов в разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки.

Совр. А. – об­ласть жиз­не­дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка, свя­зан­ная с нау­кой, тех­ни­кой и куль­ту­рой, при этом важ­ное зна­че­ние име­ет звук как ос­но­ва средств об­ще­ния лю­дей. Об­ласть рас­смат­ри­вае­мых в А. час­тот ши­ре слу­хо­во­го диа­па­зо­на – соб­ст­вен­но зву­ка (ус­лов­ные гра­ни­цы 16 Гц – 20 кГц): ни­же ле­жит об­ласть ин­фра­зву­ка (0–20 Гц), вы­ше – ульт­ра­зву­ка (20 кГц – 10⁹ Гц) и ги­пер­зву­ка (10⁹ Гц – 10¹³ Гц), при­чём в ги­пер­зву­ко­вой об­лас­ти уже мо­гут про­яв­лять­ся кван­то­вые эф­фек­ты. Со­глас­но этим диа­па­зо­нам, под­раз­де­ля­ют­ся ме­то­ды ис­сле­до­ва­ний в А. и изу­чае­мые об­лас­ти (напр., вол­ны ин­фра­зву­ко­вых час­тот ис­поль­зу­ют­ся для изу­че­ния даль­не­го рас­про­стра­не­ния зву­ка в океа­не, ульт­ра- и ги­пер­зву­ко­вых – в де­фек­то­ско­пии и фи­зи­ке твёр­до­го те­ла).

Од­на из осн. за­дач А.– по­лу­че­ние с по­мо­щью уп­ру­гих волн ин­фор­ма­ции о свой­ст­вах и строе­нии ма­те­ри­аль­ной сре­ды и гра­ни­цах раз­де­ла сред пу­тём изу­че­ния ха­рак­те­ра рас­про­стра­не­ния волн. К ос­нов­ным от­но­сят­ся так­же про­бле­мы изу­че­ния аку­стич. воз­дей­ст­вия на фи­зич., хи­мич. и др. про­цес­сы в ве­ще­ст­ве с це­лью на­прав­лен­но­го из­ме­не­ния его свойств. Важ­ней­шим ос­та­ёт­ся вы­яс­не­ние всех ме­ха­низ­мов аку­стич. ком­му­ни­ка­ции с це­лью соз­да­ния для неё оп­ти­маль­ных ус­ло­вий.

Об­щие за­ко­но­мер­но­сти из­лу­че­ния, рас­про­стра­не­ния и приё­ма зву­ко­вых волн изу­ча­ет тео­рия зву­ка, тре­бую­щая при­ме­не­ния но­вей­ших ма­те­ма­тич. ме­то­дов и вы­чис­лит. средств (это на­прав­ле­ние ино­гда на­зы­ва­ют ма­те­ма­тич. А.). На­ря­ду с об­щим вол­но­вым под­хо­дом для рас­смот­ре­ния за­дач рас­про­стра­не­ния зву­ка с ма­лой по срав­не­нию с мас­шта­бом пре­пят­ст­вий дли­ной вол­ны (см. Вол­но­вая аку­сти­ка) в тео­рии ис­поль­зу­ет­ся так­же пред­став­ле­ние о зву­ко­вых лу­чах (см. Гео­мет­ри­че­ская аку­сти­ка). При­ме­ни­тель­но к разл. мо­де­лям сред, рас­про­стра­не­ния волн и аде­к­ват­ным им ме­то­дам рас­смот­ре­ния аку­стич. по­лей сфор­ми­ро­ва­лись та­кие под­раз­де­лы тео­рии зву­ка, как ста­ти­сти­че­ская аку­сти­ка, аку­сти­ка дви­жу­щих­ся сред, кри­стал­лоа­ку­сти­ка и др. Важ­ным раз­де­лом тео­ре­тич. А. яв­ля­ет­ся не­ли­ней­ная аку­сти­ка, свя­зан­ная с за­мет­ны­ми из­ме­не­ния­ми свойств сре­ды при про­хо­ж­де­нии аку­стич. волн. Раз­ви­тие не­ли­ней­ной А. обу­слов­ле­но, в ча­ст­но­сти, по­яв­ле­ни­ем ис­точ­ни­ков зву­ка боль­шой мощ­но­сти.

Наи­бо­лее тес­но свя­за­на с др. об­лас­тя­ми совр. фи­зи­ки фи­зи­че­ская аку­сти­ка, за­ни­маю­щая­ся изу­че­ни­ем осо­бен­но­стей рас­про­стра­не­ния уп­ру­гих волн в ре­аль­ном ве­ще­ст­ве, а так­же ис­сле­до­ва­ни­ем взаи­мо­дей­ст­вия ульт­ра­зву­ко­вых и ги­пер­зву­ко­вых волн с ве­ще­ст­вом и фи­зич. по­ля­ми, в ча­ст­но­сти аку­сто­элек­трон­но­го, аку­сто­оп­ти­че­ско­го, фо­нон-фо­нон­но­го, фо­нон-фо­тон­но­го и др. взаи­мо­дей­ствий. Под­раз­де­ла­ми фи­зич. аку­сти­ки яв­ля­ют­ся мо­ле­ку­ляр­ная аку­сти­ка и кван­то­вая аку­сти­ка. Фи­зич. А. тес­но пе­ре­пле­та­ет­ся со смеж­ны­ми об­лас­тя­ми нау­ки и тех­ни­ки – элек­тро­ни­кой (аку­сто­элек­тро­ни­ка), оп­ти­кой (аку­сто­оп­ти­ка, оп­тоа­ку­сти­ка).

Рас­про­стра­не­ние аку­стич. волн в ес­тествен­ных сре­дах – ат­мо­сфе­ре, во­дах Ми­ро­во­го ок., зем­ной ко­ре – и свя­зан­ные с этим яв­ле­ния изу­ча­ют­ся в ат­мо­сфер­ной аку­сти­ке, гид­ро­аку­сти­ке, аку­сти­ке океа­на, гео­аку­сти­ке. Аку­стич. вол­ны слу­жат для зон­ди­ро­ва­ния этих сред. Осо­бую важ­ность име­ет гид­ро­аку­сти­ка, по­сколь­ку звук – един­ст­вен­ный из всех ви­дов из­лу­че­ния, рас­про­стра­няю­щий­ся на зна­чит. рас­стоя­ния в вод­ной сре­де. С гид­ро­аку­сти­кой свя­за­на важ­ная и ши­ро­ко раз­ви­тая при­клад­ная об­ласть – гид­ро­ло­ка­ция.

Элек­тро­аку­сти­ка изу­ча­ет про­цес­сы пре­об­ра­зо­ва­ния аку­стич. сиг­на­лов в элек­три­че­ские и об­рат­но. На её ос­но­ве воз­ник­ла об­шир­ная при­клад­ная об­ласть – зву­ко­тех­ни­ка, за­ни­маю­щая­ся раз­ра­бот­кой ап­па­ра­ту­ры для пе­ре­да­чи, за­пи­си, вос­про­из­ве­де­ния аку­стич. волн слы­ши­мо­го диа­па­зо­на. Элек­тро­аку­сти­ка свя­за­на со все­ми ос­таль­ны­ми об­лас­тя­ми А., т. к. на её прин­ци­пах ба­зи­ру­ет­ся ап­па­ра­ту­ра для са­мых раз­ных ви­дов аку­стич. из­ме­ре­ний. Элек­тро­аку­сти­ка за­ни­ма­ет­ся и фун­дам. ис­сле­до­ва­ния­ми элек­тро­ме­ха­нич. и элек­тро­аку­стич. пре­об­ра­зо­ва­ний в ве­ще­ст­ве, тес­но смы­ка­ясь здесь с фи­зич. аку­сти­кой.

При­клад­ные об­лас­ти А.– ар­хи­тек­тур­ная аку­сти­ка и строи­тель­ная аку­сти­ка – изу­ча­ют рас­про­стра­не­ние зву­ка в об­ществ. по­ме­ще­ни­ях (за­лах, ау­ди­то­ри­ях) и спо­соб­ст­ву­ют соз­да­нию оп­ти­маль­ных ус­ло­вий вос­при­ятия ре­чи и му­зы­ки, а так­же обес­пе­че­нию зву­ко­изо­ля­ции жи­лых и про­из­вод­ст­вен­ных по­ме­ще­ний. Совр. прин­ци­пы строи­тель­ст­ва и при­ме­не­ние но­вых стро­ит. ма­те­риа­лов ус­лож­ня­ют за­да­чи и сти­му­ли­ру­ют раз­ви­тие этих при­клад­ных на­ук. Но­вые ­ме­тоды и сред­ст­ва из­ме­ре­ний ис­поль­зу­ют­ся и в ис­сле­до­ва­ни­ях по му­зы­каль­ной аку­сти­ке, где в ар­се­нал из­вест­ных муз. ин­ст­ру­мен­тов во­шли и но­вые – элек­тро­му­зы­каль­ные.

Осо­бое ме­сто в А. за­ни­ма­ет изу­че­ние шу­ма аку­сти­че­ско­го – важ­но­го фак­тора воз­дей­ст­вия ок­ру­жаю­щей сре­ды на че­ло­ве­ка. При этом зву­ки при­род­но­го про­ис­хо­ж­де­ния (шум гор­ной ре­ки, дож­дя, ше­лест ле­са и т. п.) ока­зы­ва­ют бла­го­при­ят­ное воз­дей­ст­вие, а ин­тен­сив­ные шу­мы ин­ду­ст­ри­аль­но­го про­ис­хо­ж­де­ния (транс­пор­та, ма­шин и ме­ха­низ­мов, про­из­во­дя­щих гром­кие зву­ки) мо­гут не­га­тив­но вли­ять на здо­ро­вье лю­дей, при­во­дя к по­те­ре слу­ха и разл. за­бо­ле­ва­ни­ям. При совр. уров­не ин­ду­ст­риа­ли­за­ции шум ста­но­вит­ся од­ной из со­став­ляю­щих эко­ло­гич. за­гряз­не­ния. В за­да­чи А. вхо­дит раз­ра­бот­ка на­уч. ме­то­дов и тех­нич. средств для вы­яв­ле­ния ис­точ­ни­ков шу­ма и сни­же­ния его уров­ня как уст­ра­не­ни­ем (по воз­мож­но­сти) са­мих ис­точ­ни­ков, так и пу­тём соз­да­ния средств за­щи­ты от не­го. Раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся ме­ж­ду­нар. нор­мы до­пус­ти­мых шу­мов ма­шин и ме­ха­низ­мов, при­чём с те­че­ни­ем вре­ме­ни они ста­но­вят­ся всё бо­лее жё­ст­ки­ми.

От­дель­ное на­прав­ле­ние А. свя­за­но с ис­сле­до­ва­ния­ми и разл. при­ме­не­ния­ми ульт­ра­зву­ка – в фи­зич. экс­пе­ри­мен­те, гид­ро­аку­сти­ке, пром-сти, на транс­пор­те, в ме­ди­ци­не и др. Ульт­ра­зву­ко­вые уст­рой­ст­ва ис­поль­зу­ют в аку­сти­чес­ком конт­ро­ле, ульт­ра­зву­ко­вой ди­а­гно­сти­ке, мик­ро­ско­пии аку­сти­че­ской, зву­ко­ви­де­нии, гид­ро­ло­ка­ции. С по­мо­щью ульт­ра­зву­ка мож­но осу­ще­ст­в­лять от­жиг де­та­лей, свар­ку пла­ст­масс, свер­ле­ние от­вер­стий в хруп­ких ма­те­риа­лах, из­ме­нять ско­рость и ха­рак­тер хи­мич. про­цес­сов и др.

Био­аку­сти­ка за­ни­ма­ет­ся во­про­са­ми рас­про­стра­не­ния аку­стич. волн в жи­вых тка­нях, воз­дей­ст­ви­ем этих волн на био­ло­гич. объ­ек­ты и био­тка­ни, изу­че­ни­ем ме­ха­низ­мов зву­ко­об­ра­зо­ва­ния, вос­при­ятия аку­стич. волн жи­вот­ны­ми. Ис­сле­до­ва­ния­ми ор­га­нов и про­цес­сов зву­ко­вос­прия­тия и зву­ко­из­лу­че­ния у че­ло­ве­ка за­ни­ма­ют­ся фи­зио­ло­ги­че­ская аку­сти­ка и пси­хо­ло­ги­че­ская аку­сти­ка. Про­бле­мы ре­че­об­ра­зо­ва­ния, пе­ре­да­чи и вос­при­ятия ре­чи рас­смат­ри­ва­ют­ся в ре­че­вой аку­сти­ке. Ре­зуль­та­ты этих ис­сле­до­ва­ний ис­поль­зу­ют­ся в зву­ко­тех­нике, ар­хит. аку­сти­ке, при раз­ра­бот­ке сис­тем пе­ре­да­чи ре­чи, в тео­рии ин­фор­ма­ции и свя­зи, в му­зы­ке, фи­зио­ло­гии, ме­ди­ци­не и др.

На­ря­ду с эти­ми тра­диц. об­лас­тя­ми ис­сле­до­ва­ний в совр. А. по­яв­ля­ют­ся но­вые на­прав­ле­ния и раз­де­лы. Так, ин­те­рес к взаи­мо­дей­ст­вию аку­стич. по­лей с аэ­ро­ди­на­мич. и те­п­ло­вы­ми по­то­ка­ми и к ге­не­ра­ции зву­ка в этих по­то­ках обу­сло­вил ин­тен­сив­ное раз­ви­тие аэ­ро­аку­сти­ки и тер­мо­аку­сти­ки. С сер. 20 в. изу­че­ние тер­мо­аку­стич. ко­ле­ба­ний при­об­ре­ло прак­тич. на­прав­лен­ность в свя­зи с не­об­хо­ди­мо­стью вы­яс­не­ния про­цес­сов в ка­ме­рах сго­ра­ния ра­кет­ных дви­га­те­лей. Прак­тич. зна­чи­мость пред­став­ля­ют и про­цес­сы тер­мо­аку­сти­че­ского и об­рат­но­го аку­сто­тер­ми­че­ско­го пре­об­ра­зо­ва­ний, в ча­ст­но­сти в свя­зи с воз­мож­ностью соз­да­ния аку­стич. хо­лодиль­ни­ков. Во 2-й пол. 20 в. воз­ник­ла ра­диа­ци­он­ная аку­сти­ка, ко­то­рая раз­ви­ва­ет­ся на сты­ке А., ядер­ной фи­зи­ки, фи­зи­ки вы­со­ких энер­гий и эле­мен­тар­ных час­тиц.

Но­вые ас­пек­ты рас­смот­ре­ния экс­пе­рим. фак­тов воз­ни­ка­ют и в А. океа­на, что по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать не­ко­то­рые на­блю­дае­мые яв­ле­ния для оце­нок и про­гно­зи­ро­ва­ния гло­баль­ных про­цес­сов (напр., по­те­п­ле­ния кли­ма­та Зем­ли).