Physics and acoustics

XIV. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ЗВУКА 14.1. История развития акустики Акустика (от греч. akustikos – слуховой), в узком смысле слова – учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (частоты таких колебаний находятся в диапазоне 16 Гц–20 кГц); в широком смысле – область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот 1012–1013 Гц, их взаимодействия с веществом. Акустика – одна из самых древних областей знания, зародившаяся из потребности дать объяснение явлениям слуха и речи и в особенности музыкальным звукам и инструментам. Еще древнегреческий математик и философ Пифагор (6 в. до н. э.) обнаружил связь между высотой тона и длиной струны (трубы), Аристотель (4 в. до н. э.) понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения воздуха. Историю развития акустики, как физической науки, можно разбить на 3 периода.

1) XVII–XVIII вв. – характеризуется исследованиями системы музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), скорости распространения звука. Г. Галилей обнаружил, что звучащее тело испытывает колебания и что высота звука зависит от частоты этих колебаний, а интенсивность звука – от их амплитуды. Французский учёный М. Мерсенн, следуя Галилею, уже мог определить число колебаний звучащей струны. М. Мерсенн впервые измерил скорость звука в воздухе. Р. Гук устанавливает на опыте основной закон теории упругости и акустики, а Х. Гюйгенс – важный принцип волнового движения, названный впоследствии его именем.

2) XVIII–XX вв. В этот период акустика развивается как раздел механики. Создаётся общая теория механических колебаний, излучения и распространения упругих волн в среде, разрабатываются методы измерения характеристик звука (звукового давления в среде, импульса, энергии и потока энергии звуковых волн, скорости распространения звука). С работ Ньютона начинается расцвет классической физики. Механика, гидродинамика и теория упругости, теория волн, акустика и оптика развиваются в тесной связи друг с другом. Члены Петербургской Академии наук Л. Эйлер и Д. Бернулли, французские учёные Ж. Д'Аламбер и Ж. Лагранж разрабатывают теорию колебаний струн, стержней и пластинок, объясняют происхождение обертонов. Немецкий учёный Э. Хладни экспериментально исследует формы звуковых колебаний, совершаемых различными звучащими телами – мембранами, пластинами, колоколами. Т. Юнг и О. Френель развивают представления Гюйгенса о распространении волн, создают теорию интерференции и дифракции волн. Х. Доплер устанавливает закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя. Огромное значение для физики имело создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие. Математический метод разложения периодически повторяющихся процессов на простые гармонические составляющие был найден французским учёным Фурье. Экспериментально синтез сложного звука из простых составляющих осуществил немецкий учёный Г. Гельмгольц. Подбором камертонов с резонаторами Гельмгольцу удалось искусственно воспроизвести различные гласные. Он исследовал состав музыкальных звуков, объяснил тембр звука характерным для него набором добавочных тонов (гармоник). Этап развития акустики был подытожен классическим трудом «Теория звука» английского физика Рэлея (Дж. Стретт). В 1876 был изобретён телефон (Белл, США), в 1877 – фонограф (Эдисон, США). Н. А. Умов вводит понятие плотности потока энергии для упругих волн. Американский учёный У. Сэбин заложил основы архитектурной акустики.

3) XX в. Развитие акустики в 1–й половине XX в. получило мощный импульс в связи с потребностями военной техники. Задача определения положения и скорости самолёта (звуковая локация в воздухе), подводной лодки (гидролокация), определение места, времени и характера взрыва, глушение шумов самолёта – все эти проблемы требовали более 105