Акустика – это наука о звуке. Основные направления современной акустики

Звук – это феномен, волновавший человеческие умы с глубокой древности. Фактически мир разнообразных звуков возник на Земле задолго до появления на ней человеческих существ. Первые звуки раздавались ещё во время зарождения нашей планеты. Они были вызваны мощнейшими ударами, колебаниями материи и бурлением раскалённого вещества.

Звук в природной среде

Когда на планете появились первые животные, у них со временем возникла острая потребность получать как можно больше информации об окружающей действительности. А поскольку звук является одним из главных носителей информации, то у представителей фауны стали происходить эволюционные изменения головного мозга, которые постепенно привели к образованию органов слуха.

Теперь первобытные животные могли получать посредством улавливания звуковых колебаний необходимую информацию об опасности, часто исходящей от невидимых взору объектов. Позднее живые существа научились использовать звуки для других целей. Сфера применения аудиоинформации росла в процессе эволюции самих животных. Звуковые сигналы стали служить средством примитивного общения между ними. Звуками они стали предупреждать друг друга об опасности, также он служил зовом к объединению для существ со стадными инстинктами.

Человек – повелитель звуков

Но лишь человеку удалось научиться в полной мере использовать звук в своих целях. В один прекрасный момент люди столкнулись с необходимостью передачи знаний друг другу и из поколения в поколение. Этим целям человек подчинил многообразие звуков, которые научился со временем издавать и воспринимать. Из этого множества звуков впоследствии возникла речь. Звук стал также наполнением досуга. Люди открыли для себя благозвучность свиста спускаемой тетивы лука, энергичность ритмичных ударов деревянных предметов друг о друга. Так возникли первые, самые простые музыкальные инструменты, а значит, и само музыкальное искусство.

Однако человеческое общение и музыка – не единственные звуки, которые появились на Земле с возникновением людей. Звуками сопровождались и многочисленные трудовые процессы: изготовление различных предметов из камня и дерева. А с появлением цивилизации, с изобретением колеса люди в первый раз столкнулись с проблемой громкого шума. Известно, что уже в древнем мире стук колёс о дороги, вымощенные камнем, нередко становился причиной плохого сна у жителей придорожных домов. В борьбе с этим шумом было изобретено первое средство шумоподавления: на мостовую настилалась солома.

Нарастающая проблема шума

Когда человечество познало пользу железа, проблема шума начала приобретать глобальные масштабы. Изобретя порох, человек создал тем самым источник звука такой мощности, которая достаточна для причинения заметного ущерба его собственному слуховому аппарату. В эпоху промышленной революции среди таких негативных побочных явлений, как загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов, не последнее место занимает проблема промышленного шума высокой громкости.

Анекдот из жизни

Тем не менее даже в настоящее время не все производители промышленной техники уделяют хоть какое-то внимание данному вопросу. Руководство далеко не всех заводов и фабрик озабочено сохранением здорового слуха у своих подчинённых.

Иногда приходится слышать рассказы, подобные этому. Главный инженер одного из крупных предприятий промышленности распорядился установить в наиболее шумных цехах микрофоны, подсоединённые к громкоговорителям, расположенным снаружи зданий. По его мнению, таким образом микрофоны будут высасывать часть шума наружу. Конечно, при всей комичности данной истории она заставляет задуматься о причинах такой безграмотности в вопросах, касающихся шумоподавления и шумоизоляции. А причина у этого единственная – в учебных заведениях высшего, средне-профессионального и средне-специального уровня образования лишь в последние десятилетия стали вводить специальные курсы по акустике.

Наука о звуке

Первые попытки познания природы звука были предприняты ещё Пифагором, который изучал колебания струны. После Пифагора в течение долгих веков эта область не вызывала никакого интереса у исследователей. Конечно, целый ряд учёных древности занимался построением собственных акустических теорий, но эти научные изыскания не основывались на математических расчётах, а были больше похожи на разрозненные философские рассуждения.

И лишь по прошествии более чем тысячи лет Галилей положил начало новой науке о звуке – акустике. Виднейшими первопроходцами в этой сфере были Рэлей и Гельмгольц. Они создали в девятнадцатом веке теоретическую основу современной акустики. Герман Гельмгольц в основном знаменит своим изучением свойств резонаторов, а Релей стал нобелевским лауреатом благодаря своей фундаментальной работе по теории звука.

Основные направления современной акустики

Многочисленные научные труды по исследованию природы шума и вопросам шумоподавления и шумоизоляции были опубликованы некоторое время спустя. Первые работы в этой области касались в основном шумов, производимых авиационной техникой и наземных транспортом. Но со временем границы этих исследований значительно расширились. На данный момент большинство промышленно-развитых стран имеют свои научно-исследовательские институты, занимающиеся разработкой решения данных проблем.

На сегодняшний день наиболее известны следующие разделы акустики: общая, геометрическая, архитектурная, строительная, психологическая, музыкальная, биологическая, электрическая, авиационная, транспортная, медицинская, ультразвуковая, квантовая, речевая, цифровая. В следующих главах будут рассмотрены некоторые из перечисленных разделов науки о звуке.

Общие положения

Прежде всего, следует дать определение науке, о которой идёт речь в данной статье. Акустика – это область знания о природе звука. Данная наука изучает такие явления, как возникновение, распространение, ощущение звука и различные эффекты, производимые звуком на органы слуха. Как и все прочие науки, акустика имеет свой понятийный аппарат.

Акустика – это наука, считающаяся одной из отраслей физической науки. Вместе с тем она также является междисциплинарной отраслью, то есть имеет тесные связи с другими областями знаний. Наиболее отчётливо прослеживается взаимодействие акустики с механикой, архитектурой, теорией музыки, психологией, электроникой, математикой. Важнейшие формулы акустики касаются свойств распространения звуковых волн в условиях упругой среды: уравнения плоской и стоячей волн, формулы расчёта скорости волн.

Применение в музыке

Музыкальная акустика – отрасль, исследующая музыкальные звуки с точки зрения физики. Данная отрасль тоже является междисциплинарной. В научных трудах по музыкальной акустике активно используются достижения математической науки, музыкальной теории и психологии. Основные понятия этой науки: звуковысотность, динамические и тембральные оттенки используемых в музыке звуков. Данный раздел акустики преимущественно направлен на исследование ощущений, возникающих при восприятии звуков человеком, а также особенностей музыкального интонирования (воспроизведения звуков определённой высоты). Одной из обширнейших тем исследования музыкальной акустики является тема музыкальных инструментов.

Применение на практике

Учёные, занимающиеся теорией музыки, применяли результаты исследований музыкальной акустики для построения концепций музыки на базе естественных наук. Физики и психологи занимались вопросами музыкального восприятия. Отечественные учёные, трудившиеся на этом поприще, работали как над разработкой теоретической базы (Н. Гарбузов известен своей теорией о зонах музыкального восприятия), так и над применением достижений на практике (Л. Термен, А. Володин, Е. Мурзин занимались конструированием электромузыкальных инструментов).

В последние годы всё чаще стали появляться междисциплинарные научные работы, в которых комплексно рассматривается особенность акустики зданий, относящихся к различным архитектурным стилям и эпохам. Данные, полученные при исследованиях в данной сфере, используются при построении методик развития музыкального слуха и техник настройки музыкальных инструментов. Следовательно, можно сделать вывод, что музыкальная акустика – отрасль науки, которая не потеряла своей актуальности на сегодняшний день.

Ультразвук

Далеко не все звуки могут быть восприняты человеческими органами слуха. Ультразвуковая акустика – раздел акустики, изучающий звуковые колебания с диапазоном от двадцати кГц. Звуки такой частоты находятся за гранью человеческого восприятия. Ультразвук подразделяется на три вида: низкочастотный, среднечастотный, высокочастотный. Каждый из видов имеет свою специфику воспроизведения и практического применения. Ультразвуки могут быть созданы не только искусственно. Они нередко встречаются и в живой природе. Так, шум, издаваемый ветром, частично состоит из ультразвука. Также такие звуки воспроизводятся некоторыми животными и улавливаются их органами слуха. Всем известно, что летучая мышь является одним из таких существ.

Ультразвуковая акустика – это отрасль акустики, которая нашла практическое применение в медицине, при различных научных опытах и исследованиях, в военной промышленности. В частности, в начале двадцатого века в России было изобретено устройство для обнаружения подводных айсбергов. Работа этого устройства основывалась на генерации и улавливании ультразвуковых волн. Из данного примера видно, что ультразвуковая акустика – это наука, достижения которой используются на практике уже более ста лет.