Акустика, акустическая техника
Мир, окружающий нас, с полным правом можно назвать миром звуков. Звучат вокруг голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот моторов и шелест листвы… С точки зрения физики звук — это механические колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде, твердом теле и т. п. Колеблющаяся струна приводит в движение окружающий её воздух, то сжимая его, то разрежая. Слои повышенного и пониженного давления разбегаются друг за другом во все стороны и образуют звуковую волну. Достигая нашего уха, механические колебания передаются барабанным перепонкам — мы слышим звучащую струну.
Способность человека воспринимать упругие колебания, слышать их отразилась в названии учения о звуке — акустика (от греческого akustikos — слуховой, слышимый), которое исследовало поначалу именно слышимые человеком звуковые волны с частотой от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц — 1 колебание в 1 с). Низким звукам (бой барабана) соответствуют низкие частоты, от 16 до 200 Гц; высоким (свисток)— средние и высокие частоты, от 5000 Гц (5 кГц) и выше. Сейчас акустика как область физики рассматривает более широкий спектр упругих колебаний — от самых низких частот до предельно высоких, вплоть до 1012–1013 Гц. Не слышимые человеком звуковые волны с частотами меньше 16 Гц называют инфразвуком, от 20 кГц до 109 Гц — ультразвуком, а колебания с частотами выше 109 Гц — гиперзвуком.
Передача звуков на расстояние (см. Радио, Телефонная связь), а также различные способы их записи и воспроизведения (граммофонные и магнитофонные)— все это лишь одна из сфер применения акустики, а именно переработка, передача, хранение и использование звуковой информации. Специальная отрасль науки — архитектурная акустика — занимается проектированием концертных, лекционных, театральных и других залов, её цель — обеспечение хорошей слышимости. Звуковые волны в помещении могут многократно отражаться от стен и предметов, как бы блуждая по залу и постепенно затухая. Такое явление называется реверберацией. Время реверберации определяет качество помещения с точки зрения акустики. При очень большом времени реверберации звуки «бродят» по залу, наклады- ваясь друг на друга и заглушая источник основного звука, зал становится слишком гулким. Малое время реверберации тоже плохо — звуковые волны быстро поглощаются стенами, и оттого звуки получаются глухими, теряют свою выразительность. Вот и ищут архитекторы-акустики «золотую середину» для каждого зала.
Распространение звука в земной коре исследует геоакустика, используя полученные данные для изучения строения нашей планеты и протекающих в её недрах процессов.
Замечено, что особенно хорошо звук распространяется в воде — лучше, чем в воздухе. Например, звуковая волна с частотой около 2000 Гц легко проходит под водой расстояние в 15–20 км. Это свойство звука используется в гидроакустике — для измерения глубины моря, изучения рельефа дна, а также в целях навигации. Известно, что если крикнуть, например, в горах и отметить время до прихода эха, то нетрудно определить расстояние до места, от которого звук был отражен,— для этого нужно умножить скорость звука на время, поделенное пополам. С помощью эха можно измерить и глубину моря. Вначале это делали с помощью эхолота. У одного из бортов корабля взрывали в воде пороховой патрон, а отраженный от дна звук — эхо — принимали у другого борта с помощью специальной трубы, опущенной в воду. В наши дни подобную роль выполняет гидролокатор, который по своему принципу действия аналогичен радиолокатору (см. Радиолокация). Через определенные промежутки времени приборы излучают в воду звуковые импульсы высокой частоты. Эхо улавливается акустическими приемниками, приборами, схожими по принципу действия с микрофоном. С помощью гидролокатора удается измерять глубину, определять препятствия перед кораблем, а также детально исследовать очертания морского дна и подводных объектов.
В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Поль Кюри сделали открытие, которое оказалось очень важным для акустики. Они обнаружили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это свойство — пьезоэлектрический эффект — теперь широко используется для обнаружения не слышимого человеком ультразвука. В самом деле, если кристалл окажется на пути ультразвуковой волны, она сожмет его — и на гранях появятся электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. И наоборот, если к граням кристалла приложить переменное электрическое напряжение, он начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь, с частотой изменения напряжения. Колебания кристалла будут передаваться воздуху (или любой другой граничащей с кристаллом среде — воде, твердому телу и т. п.), и возникнет ультразвуковая волна.
Приемники и излучатели ультразвуковых волн находят все более широкое применение в науке и технике. Например, распространяясь в металле, ультразвук отражается от различных неоднородностей внутри него — раковин, трещин, инородных примесей. Специальный прибор — ультразвуковой дефектоскоп (см. Дефектоскопия) позволяет контролировать качество металлических изделий, бетонных опор и плит. Ультразвуком можно резать и сверлить металлы, стекло и даже алмазы (см. Электрофизические методы обработки). Тонкий ультразвуковой луч заменяет скальпель хирурга в очень точных и сложных операциях и помогает лечить опухоли (см. Медицинская техника).
С развитием электроники появилось новое направление в области акустики — акустоэлектроника, которая занимается исследованием эффектов взаимодействия акустических волн с электромагнитными полями и электронами проводимости в конденсированных средах, а также созданием устройств, действующих на основе этих эффектов. Акустоэлектронные устройства используются для обработки радиосигналов в радиоэлектронной аппаратуре, для управления спектральным составом оптического излучения, для считывания, хранения и записи информации.
