Акустика. физика звука — студенческий портал

У этого термина существуют и другие значения, см. Акустика (значения).

Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот.

• Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, медицину, гигиену, теорию музыки и другие.
• ФОРМУЛЫ
• Основные формулы
• • Уравнение плоской волны
•  , или  ,где  — смещение точек среды с координатой х в момент времени t; ω — угловая частота; υ — скорость распространения коле­баний в среде (фазовая скорость); k— волновое число; ;λ — длина волны.
•  • Длина волны связана с периодом Т колебаний и частотой ν соотношениями  и
•  •Разность фаз колебаний двух точек среды, расстояние между которыми (разность хода) равно Δx,
• где λ — длина волны.
• • Уравнение стоячей волны
•  , или
• • Фазовая скорость продольных волн в упругой среде:
• в твердых телах  ,где Е — модуль Юнга; р — плотность вещества;
• в газах  ,или ,где γ — показатель адиабаты (γ =cp/cv— отношение удельных теп-лоемкостей газа при постоянных давлении и объеме); R— моляр-­ная газовая постоянная; Т—термодинамическая температура; М—молярная масса; р — давление газа.
• • Акустический эффект Доплера
• где ν — частота звука, воспринимаемого движущимся прибором (или ухом); υ — скорость звука в среде; uпр — скорость прибора относительно среды; uист — скорость источника звука относительно среды; ν 0 — частота звука, испускаемого источником.
• • Амплитуда звукового давления
• p=2πνρυA,
• где ν — частота звука; А — амплитуда колебаний частиц среды; υ — скорость звука в среде; ρ — ее плотность.
• • Средняя объемная плотность энергии звукового поля
• 
• где ξ0 — амплитуда скорости частиц среды; ω — угловая частота звуковых волн.
• • Энергия звукового поля, заключенного в некотором объеме V,
• • Поток звуковой энергии
•  ,
• где W— энергия, переносимая через данную поверхность за вре­мя t.
• • Интенсивность звука (плотность потока звуковой энергии) 
• · Интенсивность звука связана со средней объемной плотно­стью энергии звукового поля соотношением
• I=J, где J — скорость звука в среде.
• · Связь мощности N точечного изотропного источника звука с интенсивностью звука
• I= N/(4pr2),
• где r — расстояние от источника звука до точки звукового поля, в которой определяется интенсивность.
• · Удельное акустическое сопротивление среды
• ZS=rJ.
• · Акустическое сопротивление
• Za= ZS/S,
• где S — площадь сечения участка акустического поля (например, площадь поперечного сечения трубы при распространении в ней звука).
• · Уровень интенсивности звука (уровень звуковой мощности) (дБ)
• LP=10 1g(I/I0),
• где I0 — условная интенсивность, соответствующая нулевому уров­ню интенсивности (I0=1 пВт/м2).

· Уровень громкости звука LN в общем случае является слож­ной функцией уровня интенсивности и частоты звука и определя­ется по кривым уровня громкости (рис. 7.1). На графике по гори­зонтальной оси отложены логарифмы частот звука (сами частоты указаны под соответствующими им логарифмами). На вертикальной оси отложены уровни интенсивности звука в децибелах.

Уровни громкости звука отложены по вертикальной оси, соответствующей эталонной частоте v=1000 Гц. Для этой частоты уровень громкости, выраженный в децибелах, равен уровню интенсивности в децибе­лах. Уровень громкости звуков других частот определяется по кривым громкости, приведенным на графике. Каждая кривая соот­ветствует определенному уровню громкости.

1. Кривые уровней громкости
2. 
3. Частота, Гц

Рис. 7.1

Закон сохранения полной механической энергии системы.

Запишем основной закон динамики для каждой точки:

, k = 1, 2, 3 ,…, n

Умножим скалярно это уравнение на  (учтено ):

,

.

Здесь  – элементарная работа внешних сил по перемещению k-ой материальной точки,  – элементарная работа внутренних сил по перемещению k-ой материальной точки.

Проинтегрируем записанное уравнение по времени:

.

Просуммируем полученные уравнения:

Здесь  – кинетическая энергия системы материальных точек:

  – теорема об изменении кинетической энергии системы материальных точек: изменение кинетической энергии системы материальных точек равно сумме работ всех внешних и внутренних сил, действующих на элементы системы.

Эта теорема справедлива для материального тела и для системы материальных тел.

Под кинетической энергией материального тела понимаем:

.

Под кинетической энергией системы материальных тел понимаем:

В случае, когда все внутренние силы системы являются консервативными:

Тогда:

.

Если также и внешние силы консервативны:

, то:

Величина  – полная механическая энергия системы.

— закон сохранения полной механической энергии системы: если все внутренние и внешние силы, действующие на элементы системы консервативны, то ее полная механическая энергия сохраняется.

Если только часть сил, действующих на элементы системы консервативны, то полная механическая энергия не сохраняется. Она может убывать или возрастать.

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Сопротивление материалов является одним из разделов механики деформируемого твердого тела и посвящено изучению инженерных методов расчета на прочность, жесткость и устойчивость деталей машин и элементов сооружений.

Под прочностью понимают способность детали выдерживать действие внешней нагрузки без разрушения. Жесткость – это способность детали сопротивляться изменению первоначальных размеров.

Для некоторых видов деталей жесткость связана с устойчивостью, то есть способностью детали сохранять определенную первоначальную форму равновесия.

Иногда (в обиходе) под акустикой понимают также акустическую систему — электрическое устройство, предназначенное для преобразования тока переменной частоты в звуковые колебания при помощи электро-акустического преобразования. Также термин акустика применим для обозначения колебательных свойств, связанных с качеством распространения звука в какой-либо системе или каком-либо помещении, например, «хорошая акустика концертного зала».

Термин «акустика» (фр. acoustique) был введён в 1701 году Ж. Совёром.

• Общая (физическая) акустика — теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.
• Геометрическая акустика — раздел акустики, предметом изучения которого являются законы распространения звука. В основе лежит представление о том, что звуковые лучи — это линии,касательные к которым совпадают с направлением распространения энергии акустических колебаний.
• Архитектурная акустика — законы распространения звука в закрытых (полуоткрытых, открытых) помещениях, методы управления структурой поля и т. д.
• Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчёт конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).
• Психоакустика — основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа».
• Музыкальная акустика — проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке.
• Биоакустика — теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.
• Электроакустика — раздел прикладной акустики, занимающийся теорией, методами расчёта и созданием электроакустических преобразователей
• Аэроакустика (авиационная акустика) — излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях.
• Гидроакустика — распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.
• Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолётах, поездах, автомобилях и др.)
• Медицинская акустика — разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы)
• Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в том числе ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.
• Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах
• Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.
• Цифровая акустика — связана с созданием микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.

Интересными направлениями исследования в акустике на макроскопическом уровне являются

• распространение звука в движущихся средах
• рассеяние звука на неоднородностях среды и распространение звука в неупорядоченных средах
• характер макроскопических течений в поле звуковой волны
• поведение вещества в поле сильной ультразвуковой волны, кавитационные явления

На микроскопическом уровне упругое колебание среды описывается фононами — коллективными колебаниями атомов или ионов.

В металлах и полупроводниках такие колебания ионов приводят и к колебаниям электронной жидкости, то есть, на макроскопическом уровне, звук может порождать электрический ток.

Подраздел акустики, изучающий такие явления и возможности их использования, называется акустоэлектроникой.

Источник: http://tytphysiki.blogspot.com/p/blog-page.html

Студенческое конструкторское бюро «Акустика»

(СКБ «Акустика» ИНЭП ИТА ЮФУ)

• Наименование
• Студенческое конструкторское бюро «Акустика» ИНЭП ИТА ЮФУ
• СКБ «Акустика» ИНЭП ИТА ЮФУ – это научное объединение студентов, которые активно принимают участие в научно-исследовательской и проектно-конструкторской работе, а также молодых исследователей из числа аспирантов.
• Основной целью СКБ является:
• создание условий для всестороннего и наиболее полного развития и реализации творческого и научного потенциала студентов ЮФУ;
• ориентация обучающихся ЮФУ на занятие научно-исследовательской деятельностью в аспирантуре;
• обеспечение взаимосвязи учебной и научной работы студентов;
• создание условий для организации и проведения комплексных практико-ориентированных научных исследований и разработок, внедрения полученных результатов интеллектуальной деятельности, в том числе с их последующей коммерциализацией на предприятиях реального сектора экономики.
• Основными задачами СКБ являются:
• формирование у студентов навыков научно-организационной деятельности;
• выявление наиболее способных и талантливых студентов ИНЭП ИТА ЮФУ;
• оказание научно-методической помощи в различных областях знания и практической деятельности;
• содействие публикации и внедрению в практику лучших студенческих работ;
• содействие развитию изобретательской и рационализаторской деятельности студентов;
• содействие проведению профориентационной работы среди обучающихся образовательных организаций.
• ​

Руководитель СКБ «Акустика» –кандидат технических наук,Пивнев Петр ПетровичТел. 8 (8634)-68-18-90.Факс: 8 (8634)-36-11-26E-mail: pivnev@mail.ru; pivnevpp@sfedu.ru
Научный руководитель в области нелинейной акустики, гидроакустики, подводной археологии и экологии доктор технических наук, профессор,Тарасов Сергей ПавловичТел. 8 (8634)-37-17-95.Факс: 8 (8634)-36-11-26E-mail: tsp-47@mail.ru
Научный руководитель в области взаимодействия ультразвуковых колебаний с биологическими объектами, ультразвуковых методов и приборов для медицинских целей, доктор технических наук, профессор,Чернов Николай НиколаевичТел. 8 (8634)-37-17-95.E-mail: nnchernov@sfedu.ru
Зам. руководителя СКБ «Акустика» – магистрант каф. ЭГАиМТ ИНЭП ЮФУ Нерук Валерий Юрьевич Тел. 8 (8634)-68-18-90.E-mail: polenkov@sfedu.ru

Состав членов СКБ «Акустика» ИНЭП ИТА ЮФУ на 2018/2019 уч. год.

№ п/п	Ф.И.О. студента/магистранта/аспиранта	Группа
1	Акопджанян Георгий Жраирович	Аспирант
2	Анищенко Александр Евгеньевич	Аспирант
3	Беспалов Иван Васильевич	ЭПбо3-3 (бакалавр)
4	Бондарева Елена Юрьевна	ЭПбо4-3 (бакалавр)
5	Брыксин Руслан Викторович	ЭПбо1-3 (бакалавр)
6	Варенникова Анастасия Юрьевна	аспирант
7	Гончар Эдуард Владимирович	ЭПмо2-2 (магистрант)
8	Грушин Дмитрий Андреевич	ЭПбо3-3 (бакалавр)
9	Давыдов Даниил Андреевич	ЭПмо2-2 (магистрант)
10	Казакова Елена Александровна	Аспирант
11	Кливекин Константин Александрович	ЭПсо2-1 (специалист)
12	Колесник Денис Александрович	Аспирант
13	Корнюкова Жанна Юрьевна	аспирант
14	Лагута Маргарита Владимировна	аспирант
15	Лукьянченко Анатолий Александрович	ЭПмо2-2 (магистрант)
16	Меньшенина Маргарита Максимовна	ЭПсо2-1 (специалист)
17	Нерук Валерий Юрьевич	ЭПмо2-2 (магистрант)
18	Петров Андрей Игоревич	ЭПбо4-3 (бакалавр)
19	Сысоев Алексей Владимирович	ЭПсо2-1 (специалист)
20	Терехова Анна Васильевна	ЭПбо1-3 (бакалавр)
21	Чоп Анна Игоревна	ЭПмо2-2 (магистрант)
22	Чоп Дмитрий Андреевич	Аспирант
23	Шапранов Борис Сергеевич	ЭПбо3-3 (бакалавр)

Основные проекты и работы, реализованные в СКБ «Акустика»

1. Участие в Таманской археологической экспедиции РГО и Крымского федерального университета (2015-2018 гг)
2. Участие в экспериментальных работах, проводимых каф. ЭГАиМТ совместно с сотрудниками АКИН.
3. Участие в экспедиционных работах по поиску затонувшего в годы ВОВ танка т-34.
4. Участие в разработках и экспериментальных исследованиях, ведущихся на кафедре ЭГАиМТ.
5. Экологические исследования акватории Цимлянского водохранилища совместно с ИФА РАН.

Основные проекты, ведущиеся совместно со школьниками и студентами СПО

1. Беспилотный катер для экологического мониторинга.
2. Квадрокоптер-помощник в экологическом мониторинге.
3. Малогабаритный эхолот – «Эхолот в стакане»
4. Ультразвуковой фонтан.
5. Разработка электронного экскурсовода для научно-технических музеев

• Беспилотный катер для экологического мониторинга.
• Цель: Создание роботизированного беспилотного катера, с установленными гидроакустическими приборами.
• Задачи: Экологический мониторинг и поисковые работы в акваториях прибрежных районов моря и рек.
• Катер будет оснащаться гидролокатором бокового обзора и эхолотом.
• Оборудование будет в автоматическом режиме записывать полученную информацию на жесткий диск.
• В случае потери связи с оператором катер будет иметь возможность возвратиться в точку отправления используя данные GPS-приемника.
• Состав:  
• Достоинства:

• Автономность;
• Маневренность;
• Малогабаритность.

1. 
2. 
3. Квадрокоптер-помощник в экологическом мониторинге
4. Цель: Создание мобильного радиоуправляемого комплекса экологического мониторинга.
5. Задачи:

• Моделирование и сборка летательного аппарата – квадрокоптера, способного работать автономно длительное времени.
• Разработка и сборка гидроакустической системы (включающего в себя измеритель скорости звука, температуры воды и эхолота).
• Экспериментальное испытание мобильного комплекса над акваторией Таганрогского залива для подтверждения его работоспособности.
• Оценка возможности практического применения квадрокоптеров в комплексе с гидроакустическими измерительными системами.

Проект предназначен для выполнения экологического мониторинга прибрежных акваторий. Исследовательские работы будут проводиться с помощью гидроакустического оборудования.

Оборудование будет в автоматическом режиме записывать полученную информацию на жесткий диск.

В случае потери связи с оператором летательный аппарат будет иметь возможность возвратиться в точку отправления используя данные GPS-приемника.

• Состав:  
• Малогабаритный эхолот – «Эхолот в стакане»
• РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННОГО ЭКСКУРСОВОДА ДЛЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ МУЗЕЕВ
• Идея проекта:
• Актуальность определяется необходимостью осуществления скрытной передачи информации узким направленным пучком определенному лицу или группе лиц, например, посетителям музея в качестве электронного экскурсовода.

Передача информации осуществляется по акустическому каналу на неслышимых частотах и преобразуется в слышимые за счет нелинейного преобразования модулированных сигналов в среде и в слуховом аппарате человека.

Для осуществления необходимо создать систему излучения высокочастотных акустических волн узконаправленными пучками, на которую подается электрический сигнал с электронных усилителей, информация, на которые поступает с аудиокарты компьютера.

Кроме того, в системе предусматривается датчик присутствия посетителей для автоматического включения электронного экскурсовода.

Описание технологии реализации проекта:

Происходящие процессы в слуховом аппарате человека, возникающие при воздействии ультразвуковых колебаний с заданными параметрами, позволяют осуществить невидимое и неслышимое со стороны информационное воздействие на посетителей музея.

Таким образом, посетители музея, подходя к экспонатам, будут попадать в поле характеристики направленности высокочастотного излучателя и за счет выше описанных нелинейных процессов, проходящих в ухе человека, будут слышать информацию об осматриваемом экспонате, не мешая другим посетителям, осматривающим другие экспозиции музея, которые в свою очередь могут прослушивать информацию о своих экспонатах. Данная система не предусматривает никаких устройств, которые должны выдаваться посетителям на входе в музей, а работает за счет нелинейных процессов, проходящих в слуховом аппарате человека.

Нелинейность слуха проявляется прежде всего в появлении “субъективных” или “слуховых” гармоник. При воздействии на барабанную перепонку достаточно громкого синусоидального звука с частотой f0 в процессе его обработки в слуховом аппарате возникают гармоники этого звука с частотами 2f0, 3f0 и т.д.

Например, если подать первичный тон с частотой 500 Гц, то можно услышать звуки с частотами 1000 Гц, 1500 Гц и т.д.

Поскольку при объективных измерениях подводимого сигнала можно точно установить, что в спектре первичного воздействующего тона этих гармоник нет, они и получили название “субъективных” гармоник.

Для того, чтобы понять особенности слухового восприятия в этой области, вспомним, что базилярная мембрана в ухе организована тонотопически, т. е. каждый тон имеет свою топографию размещения.

В зависимости от спектрального состава на базилярной мембране возбуждаются различные участки, волосковые клетки, находящиеся на этом месте, и их электрическая активность сообщает мозгу, какие частоты присутствуют в спектре.

Таким образом, базилярная мембрана выполняет функции спектрального анализатора с помощью линейки фильтров.

Исследования работы слуховой системы, выполненные знаменитым ученым Бекеши (Bekesy), за которые он получил Нобелевскую премию, показали, в частности, что при высоких уровнях сигнала в жидкости слуховой улитки образуются вихревые потоки.

Появление этих завихрений искажает форму звукового импульса, а поскольку базилярная мембрана выполняет его спектральный анализ, то эти искажения и приводят к появлению дополнительных гармоник и комбинационных тонов.

1. Таким образом, первая причина возникновения нелинейных искажений – это гидродинамические процессы в жидкости улитки.
2. Исходя из выше перечисленных явлений, происходящих в ухе человека, можно создать систему скрытой передачи информации определенному кругу посетителей музея, которые, подходя к выставочным экспонатам, смогут прослушивать информации об этом экспонате, при этом не мешая другим посетителям, прослушивающим информацию о других экспонатах с помощью такой же системы.

Источник: https://inep.sfedu.ru/stud_associations/skb_acoustic/

Понятие акустики в физике

В целом акустика является наукой о звуках. Звуки во все времена играли особую роль в жизни любого человека, так как они позволяют людям ориентироваться в пространстве, общаться, смотреть фильмы и слушать любимую музыку.

Рисунок 1. Разновидности акустики.. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Использование акустики востребовано абсолютно всеми областями, начиная от строительства, заканчивая медициной. Данный научный раздел изучает колебания звуковых волн, принципы их формирования и распределения.

Определение 1

Акустика – обширная область физики, которая исследует упругие колебания и волны от самых низких частот до предельно высоких.

Человек начинает слышать звук при постоянных колебаниях, производимых с определенной частотой.

Одно из основных определений акустики – это звуковая волна, которая представляет собой вибрации, давление которых непосредственно зависит от источника.

Например, сигнал автомобильного клаксона осуществляется с более высоким колебанием, чем человеческий шепот. Сила звука всегда определяется в децибелах.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Современная акустика охватывает достаточно широкий круг вопросов, в ней выделяют ряд таких важных подразделов:

• физическая акустика — изучает особенности распространения упругих волн в различных пространствах;
• физиологическая акустика — описывает устройство и работу звукообразующих и звуковоспринимающих органов у человека и животных.

В более узком смысле слова под акустикой следует понимать учение о звуке, то есть об упругих вибрациях в газах, твердых телах и жидкостях, воспринимаемых человеческим ухом. Звуковая волна способна отражаться от поверхностей, рассеиваться в них или поглощаться. Параметр отражения силы звука определяется тем, какие акустические характеристики она имеет и что было пройдено звуковой волной.

Природа звука и его физические характеристики

Рисунок 2. Физические характеристики звука. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Звуковые волны и колебания — частный случай механических изменений. Однако в связи с важностью акустических определений для правильной оценки слуховых ощущений, а также из-за медицинского приложения целесообразно будет некоторые вопросы разобрать более детально.

На сегодняшний день принято различать следующие звуки:

• тоны, или музыкальные звуки;
• шумы;
• звуковые удары.

Тоном представляет собой периодический процесс звука. Если этот процесс вполне гармонический, то тон называется чистым или полным, а соответствующая звуковая плоская волна описывается соответствующим уравнением.

Ключевой физической характеристикой такого вида звука является частота. Ангармоническому колебанию соответствует сложный тон.

Простой тон формирует, например, камертон, а вот сложный тон возможно услышать благодаря музыкальным инструментам.

Наименьшая частота разложения сложного тона на более простые структурные единицы соответствует основному тону, остальные обертоны в этом случае имеют частоты, равные $2νο$, $3νο$ и так далее.

Определение 2

Набор колебаний с указанием их конкретной интенсивности (амплитуды А) называется в физике акустическим спектром.

Спектр сложного тона всегда линейчатый. Таким образом, акустический спектр — одна из важнейших физических характеристик музыкальных звуков, так как она способна отличаться сложной неповторяющейся временной зависимостью.

К шуму исследователи относят звуки от вибрации автомобилей, аплодисменты, шорох, пламя горелки, скрип, согласные звуки речи и так далее. Этот звуковой вид можно рассматривать как сочетание хаотично изменяющихся сложных тонов

Определение 3

Звуковой удар — это кратковременное равномерное звуковое воздействие в виде взрыва или хлопка.

Не следует путать звуковой удар с ударной волной, частота которой значительно выше.

Волновая природа звука

Рисунок 3. Волновая природа звука. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Чтобы лучше определить систему появления звуковой волны, необходимо представить находящийся в трубе классический динамик, который до краев наполнен воздухом. Если это устройство совершит внезапное движение вперёд, то находящийся в непосредственной близости воздух на какое-то мгновение сжимается. После этого воздушная прослойка расширится, толкая собой сжатую область воздуха вдоль по трубе.

Вот такое волновое движение и станет впоследствии звуком, когда доберется до слухового органа и «взбудоражит» барабанную перепонку.

При возникновении звуковой волны в газе формируется избыточное внутреннее давление, ненужная плотность и происходит трансформация частиц с постоянной скоростью.

При изучении звука и его особенностей важно помнить то обстоятельство, что материальное вещество не перемещается пропорционально звуковой волне, а появляется только временное возмущение действующих воздушных масс.

Замечание 1

Если частицы вибрируют вдоль направления распределения волны, то волновой звук называется продольным, если же они колеблются прямо перпендикулярно направлению волнового распространения, то волна называется поперечной.

Обычно звуковые тоны в жидкостях и газах – продольные, в твердых же физических телах возможно формирование волн обоих типов. Поперечные волны в материальных телах возникают посредством сопротивления к изменению изначальной формы. Ключевая разница между указанными двумя типами волн состоит в том, что поперечная волна оснащена свойством поляризации, а продольная – нет.

Основные направления современной акустики

Многочисленные и многолетние научные труды по изучению природы шума и вопросам шумоизоляции были опубликованы некоторое время спустя после их проведения.

Первые работы в этой сфере касались только звуков, которые производятся авиационной техникой и наземным транспортом. Но постепенно границы звуковых исследований значительно расширились.

В настоящее время большинство промышленно-развитых государств имеют свои научно-исследовательские университеты, занимающиеся созданием новых устройств и разработкой решения данных проблем.

Ученые выделяют такие основные разделы акустики:

• общая;
• архитектурная;
• геометрическая;
• строительная;
• музыкальная;
• психологическая;
• биологическая;
• электрическая и авиационная;
• медицинская;
• квантовая.

Акустика изучает такие физические явления, как формирование, распространение, ощущение звуковых волн и различные эффекты, напрямую производимые звуком на органы слуха. Как и все прочие научные отрасли, акустика обладает собственным понятийным аппаратом. Вместе с тем она также считается междисциплинарным разделом, то есть имеет тесные взаимосвязи с другими сферами знаний.

Наиболее отчётливо и понятно прослеживается взаимодействие акустики с архитектурой, механикой, теорией музыки, электроникой и математикой. Основные формулы акустики непосредственно касаются характеристик распространения звуковых волн в условиях упругой постоянной среды: уравнения стоячей и плоской волн, формулы точного расчёта скорости волн.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanika_sploshnyh_sred/ponyatie_akustiki_v_fizike/

Акустика. Физика звука

Как мы слышим? Какова скорость звука? Как он распространяется? На все эти вопросы отвечает отдельная наука о природе звука — акустика. 

Что такое акустика

Определение

Акустика — наука о физической природе звука. 

Но что такое звук? Звук — механические колебания, распространяющиеся в виде упругой волны в жидкой, твердой или газообразной среде. 

Характеристики звука

Звуковые волны, в зависимости от их спектра, делятся на шумы и музыкальные звуки.

Традиционно, звуком называют колебания определенной частоты, воспринимаемые слухом человека. Диапазон частот колебаний, которое воспринимает ухо: от 20 до 20000 Герц. Данное деление условно и границы диапазона не являются четкими, все зависит также от индивидуальных особенностей слуха каждого человека. Речь и большинство звуков, которые мы слышим, лежат в пределах около 4000-5000 Герц.  

Ниже границы в 20 Герц лежит область инфразвука, а выше верхней границы слышимого диапазона — область ультразвука.

Частота ϑ связана с длиной волны λ соотношением λ=Vϑ, где V — скорость распространения звука в среде.

Определение

Децибел — логарифмическая единица измерения громкости звука, одна десятая часть белла.

1 Db=20lgp20 мкПа, где p — измеренное звуковое давление, 20 мкПа — минимальное звуковое давление, при котором человек слышит звук.

Современные направления акустики

Акустика изучает вопросы распространения звуковых волн в различных средах и прикладные проблемы, связанные с этим. Исследования в области акустики проводились еще в глубокой древности. Доказательством тому служит факт построения античных амфитеатров таким образом, чтобы зрители даже на высоких трибунах могли слышать речь актеров. 

В настоящее время акустика разделяется на множество направлений, таких как:

• физическая акустика;
• психоакустика;
• музыкальная акустика;
• электроакустика;
• медицинская акустика;
• биоакустика;
• физиологическая акустика;
• гидроакустика.

Пример

Летучие мыши и дельфины испускают сигналы с частотой соответственно 100 кГц и 1 МГц. Найдите длину волны этих звуков.

Решение.

Длина волны вычисляется по формуле λ=Vϑ, где V — скорость распространения звука в среде. В воздухеV=343 мс, в воде V=1531 мс.

• Для летучих мышей:
• λ=Vϑ=343105=3,43 мм
• Для дельфинов:
• λ=Vϑ=1531106=1,5 мм

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/volny/akustika/

Акустика. Физика звука

• Ранние исследования в акустике
• Физическая акустика
• Основные разделы акустики
• Электроакустика
• Ультразвуковое исследование

Акустика – наука о звуке. Предмет её – физическая природа звука, а также проблемы его возникновения, распространения, воздействия, восприятия.

Слух – одно из важнейших средств выживания в дикой природе. Вместе с тем, речь – одна из ключевых черт, указывающих на развитие и культуру человека. Исходя из этого, наука о звуке имеет отношение ко многим сферам человеческого бытия – к музыке, промышленности, медицине, архитектуре и много чему ещё.

Ранние исследования в акустике

Около 20 года до нашей эры инженер и архитектор Витрувий написал труд про акустические характеристики театров. Среди прочего были затронуты темы эха и интерференции.

Понимание акустических явлений с точки зрения физики ускорилось после научной революции.

Этому способствовало формулирование закона вибрирующих струн в основном Галилеем, а также независимо от него Мерсенном.

Примерно тогда же (первая половина 17 века) Ньютоном были выведены соотношения, описывающие скорость распространения волны в твёрдых телах. Это стало важнейшей частью физической акустики.

Физическая акустика

Это одна из частей акустики, исследующая взаимодействие акустических волн и различными средами (газообразными, жидкими, твёрдыми) на макроуровне и микроуровне. Физическая акустика занимается решением двух видов проблемных вопросов.

Исходя из формулировки описывающих их математических моделей и целей исследования, их считают либо прямыми, либо обратными задачами. В прямых задачах известны характеристики вещества, в котором происходит распространение звуковых волн.

Целью исследования при решении обратных задач выступает поиск сведений касательно внутренних характеристик среды распространения звука.

Основные разделы акустики

Акустика физиологическая и психологическая.

Психологическая акустика (психоакустика) исследует особенности восприятия и обработки нервных импульсов мозга. Понимание воспроизводимых звуков зависит от строения речевого аппарата. Результаты исследований могут быть полезны для медиков (касательно проблем со слухов), для инженеров (разработка технических средств восприятия звука человеком).

Колебания в воздухе, являющиеся звуком, могут иметь весьма широкий частотный диапазон. Но воспринимаются ухом человека далеко не все частоты.

Электроакустика

Электроакустика также выступает разделом акустики. В его рамках исследуется разработка и создание электрических приборов, обрабатывающих звуковую информацию.

Начало создания таких устройств – последняя четверть 19 века. 1878 год – время создания угольного микрофона. 1976 год – электромагнитного телефона.

Позднее создаётся немалое число приборов, сохраняющих, воспроизводящих, создающих и воспринимающих звуковые колебания. Это стало возможным из-за развития науки и техники и открытия принципов таких явлений как термоэлектрический эффект, пьезоизлучение, магнитострикция, электромагнитная индукция.

Ультразвуковое исследование

Сведения, ставшие достоянием тех или иных разделов науки о звуке, активно применяются в медицине и для диагностики, и для непосредственного лечения. В таких случаях используют звук в широком частотном диапазоне. В медицинской акустике немалое внимание направлено на рассмотрение воздействия звуков и вибраций широкого спектра интенсивности на организм человека.

1. Пример 1
2. Определить длину волны испускаемых летучими мышами и дельфинами сигналов.
3. Решение:

Длина волны в случае с летучими мышами:

Длина волны в случае с дельфинами:

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/akustika-fizika-zvuka/

Кафедре акустики — 60 лет

РУДЕНКО Олег Владимирович зав. кафедрой акустики,

профессор, чл.-корр. РАН.

Организация кафедры акустики на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова тесно связана с именем С.Н. Ржевкина. Это первая специализированная кафедра акустики в стране.

С самого начала С.Н. Ржевкину было ясно, что акустика представляет собой самостоятельный раздел физической науки, который очень специфичен и имеет огромное практическое значение.

Вместе с тем, специалистов в этой области практически не было.

Организованная в 1935 г. после 2-й Всесоюзной акустической конференции Акустическая комиссия Академии наук СССР указала на необходимость подготовки кадров физиков-акустиков в Московском и Горьковском университетах и Ленинградском политехническом институте. Но только осенью 1943 г. на физическом факультете МГУ возникла первая в СССР кафедра акустики.

Развернулись работы в области ультразвука, в результате которых удалось разработать оптические методы визуализации ультразвуковых полей.

На кафедре были начаты работы в области атмосферной акустики и приборостроения (В.А. Красильников, К.М. Иванов-Шиц). Это были первые работы по проблеме «волны и турбулентность», получившие впоследствии большое развитие. Результаты подытожены в докторской диссертации В.А.Красильникова (с 1975 по 1987 г. – зав. кафедрой акустики).

Особенно широкое развитие получили работы по гидроакустике. Существенную роль в развитии этого направления на кафедре сыграл В.С.Нестеров. С начала 1960-х гг. под руководством С.Н. Ржевкина и Л.Н.

Захарова сформировалось новое направление, развитие которого было стимулировано созданной ими аппаратурой для одновременного измерения звукового давления и трех ортогональных компонент колебательной скорости.

В настоящее время это направление на кафедре возглавляет В.А. Гордиенко.

В.С.Нестеров В.Е.Лямов 1956 г. (фото 60-х годов)

За прошедшие годы кафедру закончили около 900 студентов. Подготовлено более 80 кандидатов и 9 докторов физ.-мат. наук по специальности «акустика». Выпускники работают в академических и отраслевых институтах, в высших учебных заведениях, в промышленности. Среди них много известных учёных, удостоенных высших правительственных наград и академических званий.

На кафедре преподавали и вели исследования многие выдающиеся российские акустики: С.Н. Ржевкин, Л.М. Бреховских, В.А. Красильников, Л.К. Зарембо, К.А. Велижанина, В.Е. Лямов, Л.Н.Захаров, Л.С. Термен и другие.

С.Н.Ржевкин, В.А.Красильников, Л.К.Зарембо (1970-е гг.).

• Научные направления, развиваемые на кафедре, можно условно разделить на 4 группы, в рамках каждой из которых сформировались признанные научные школы:
• 1. Физика нелинейных колебаний и волн (теория нелинейных волн в слабодиспергирующих средах; взаимодействие сильно искажённых волн, содержащих ударные фронты; лазерное возбуждение мощных акустических импульсов; стохастическое поведение нелинейных динамических систем; автоколебания в акустических и биологических системах; гидродинамические неустойчивости и турбулентность);
• 2. Физическая акустика твёрдого тела (динамика поверхностных и клиновых волн; измерения нелинейных модулей упругости; нелинейные явления на поверхности твёрдого тела; электрон-фононные и магнон-фононные взаимодействия в твёрдых телах; нелинейные акустические методы неразрушающего контроля и диагностики; оптоакустика и акустическая микроскопия);
• 3. Акустика океана (методы и средства излучения и приёма звуковых волн в океане; калибровка гидроакустических преобразователей; синтез антенн и их стабилизация на подводных течениях; распространение звуковых волн в океане; векторно-фазовая структура акустических полей и сейсмических сигналов; моделирование шумов океана; обратные задачи рассеяния; акустическая томография океана);

4. Аэроакустика (резонансные поглотители низкочастотных интенсивных сигналов; акустическая интерферометрия и интенсиметрия; измерения в звукомерной и реверберационной камерах; акустика органных залов; волны звукового удара в атмосфере).

Члены группы на 3-м Международном Симпозиуме по Терапевтическому Ультразвуку (Лион, Франция, 2003)

Научные исследования по нелинейной акустике значительно расширились после того как кафедру акустики в 1987 г. возглавил О.В. Руденко, ученик академика Р.В. Хохлова. В 1988 году после перехода с кафедры ОФиВП на кафедру акустики его аспирантов О.А. Сапожникова и В.А.

За прошедшие 15 лет группа подготовила более 20 дипломников, большинство из них впоследствии были оставлены в аспирантуру или были приняты на работу в другие научные институты.

В 1988 г. на кафедру пришла П.С. Ланда, которая в последние годы работала в области нелинейной динамики и в области генерации звуковых колебаний.

В настоящее время исследования в этих направлениях ведут 6 докторов и 14 кандидатов наук: зав. кафедрой член-корреспондент РАН, профессор О.В.Руденко, профессора В.А. Буров, А.И. Коробов, И.Ю. Солодов, доценты В.Г. Андреев, П.Н. Кравчун, Ю.Н.Маков, О.А. Сапожников, В.А. Хохлова, А.В.

Шанин, ведущие научные сотрудники В.А. Гордиенко и П.С. Ланда, старшие научные сотрудники Б.И. Гончаренко, С.Н. Карпачёв, Б.А. Коршак, В.К. Кузнецов, И.В. Лебедева, О.Д. Румянцева, О.Ю. Сердобольская, научный сотрудник В.Г. Можаев, младшие научные сотрудники Н.И.Одина и Т.Б. Синило.

За последние десятилетия на кафедре был получен ряд важных научных результатов. Впервые экспериментально наблюдались многие нелинейные эффекты при распространении акустических волн в жидкостях, твёрдых телах, воздухе и многофазных средах. Развит ряд теоретических направлений в физике нелинейных колебаний и волн.

Разработаны новые методы нелинейной акустической диагностики и неразрушающего контроля материалов, а также методы применения мощного ультразвука для медицинской диагностики и терапии. Созданы новые типы звукопоглотителей и глушителей, новые методы измерений в аэро- и гидроакустике.

Предложены новые методы решения задач акустической томографии в океанологии и медицине. Осуществлён ряд морских экспедиций, где были исследованы, а затем нашли практическое применение в гидроакустике устройства, разработанные на кафедре.

Разработаны и реализованы в построенных объектах акустические решения ряда новых и реконструированных концертных залов в Москве, Санкт-Петербурге, Казани, Набережных Челнах, Перми.

Многие результаты защищены авторскими свидетельствами на изобретение и патентами, нашли применение в авиационной технике и судостроении, технике исследования океана, архитектурной практике и органостроении. В их числе – резонансные и широкополосные звукопоглотители, реактивные широкополосные глушители, алгоритмы систем обработки гидроакустической информации, расчёты опытных и серийных параметрических гидролокаторов, векторно-фазовые приёмники звука и др.

Органный зал Пермской филармонии (открыт 20 декабря 2003 г.). Акустическое решение зала и общая схема органа разработаны на кафедре акустики.

Совместные с ГМЦГИ ГП ВНИИФТРИ натурные работы на Балтике в 2002 г.

Кафедра располагает уникальными сооружениями: звукомерной (безэховой) и реверберационными камерами, гидробассейном, используемыми как для научных, так и для учебных целей.

Уникальные экспериментальные установки созданы в последние годы также в действующем на кафедре Центре коллективного пользования физического факультета МГУ по нелинейной акустической диагностике и неразрушающему контролю (директор – проф. А.И.

Коробов) и в лаборатории медицинских приложений мощного ультразвука (зав. лаб. – доц. О.А.Сапожников).

Кафедра сотрудничает с рядом крупных зарубежных центров: Университетами штатов Вашингтон и Индиана, Бостонским университетом (США), Виндзорским университетом (Канада), Институтом онкологических исследований (Великобритания), Университетом Штутгарта (Германия), Королевским техническим университетом в Стокгольме и Технологическим институтом в Карлскроне (Швеция), Институтом здоровья и медицинских исследований Франции, Британским институтом органных исследований и др.

кафедра организовала и провела в МГУ 16-ый Международный симпозиум по нелинейной акустике, в котором приняли участие более 300 специалистов, в т.ч. около 150 зарубежных. В августе 2003 г.

на физическом факультете состоялась XIII Сессия Российского акустического общества, посвященная 60-летию кафедры акустики.

Справа налево: зав. кафедрой акустики член-корреспондент РАН, проф. О.В. Руденко, вед. инженер Н.С. Виноградов, проф. В. Лаутерборн (Германия) и проф. Л. Крам (США) обсуждают ход эксперимента в безэховой камере кафедры акустики

Ряд сотрудников кафедры акустики за последние годы были отмечены премиями: О.В.Руденко – лауреат Государственных премий СССР и Российской Федерации, а также Ломоносовской премии, В.А.Красильников и Л.К.Зарембо были удостоены Государственной премии СССР и Ломоносовской премии, В.А.

Буров – лауреат Государственной премии СССР, О.А.Сапожников – лауреат Ломоносовской премии. Несколько сотрудников были удостоены званий соросовских профессоров и доцентов.

Более 40 молодых учёных, аспирантов и студентов кафедры в разные годы получили премии на конкурсах научных работ как по линии министерств, так и в Московском университете, а также были удостоены стипендий Американского акустического общества, Общества академических обменов Германии, соросовских стипендий. Кафедра регулярно получает гранты, участвует в выполнении федеральных целевых программ.

Сотрудниками кафедры опубликовано более 30 монографий и учебных пособий, ряд которых переиздан за рубежом. Студенты приходят на кафедру акустики на третьем году обучения, имея базовую подготовку по физике и математике.

Последние мы делим на основные общекафедральные, обязательные для всех, и альтернативные, содержание которых охватывает современные направления.

Общие курсы: введение в акустику; теоретические основы акустики; физическая акустика; акустика океана; динамика сплошных сред; нелинейная акустика, ультразвук в медицине дают студентам базовые знания. Заметим, что почти по всем общим курсам изданы учебные пособия и сборники задач, написанные сотрудниками кафедры.

Альтернативные курсы: ультразвуковые методы в физике твёрдого тела; кристаллоакустика и акустоэлектроника; нелинейная акустика твёрдого тела; магнитоакустика; гидрофизика океана; гидроакустические измерения; векторно-фазовые методы в акустике; источники звука; физика шумов и вибраций и акустическая экология; обратные задачи акустического рассеяния. Эти курсы позволяют студентам в рамках учебного плана составлять из них нужные сочетания с целью получения знаний для выполнения курсовых и дипломных работ.

Выпускники и профессора кафедры после защит дипломных работ (1997 г.). На переднем плане профессора В.А. Красильников, О.В. Руденко, А.И. Коробов (справа налево)

Обучение экспериментальной работе на кафедре начинается с задач в спецпрактикуме и обязательного цикла работ на установках научных групп. Затем студенты, выбравшие специализацию экспериментатора, продолжают обучение в лабораториях.

Сотрудники кафедры стараются использовать лучшие традиции в организации и содержании учебного процесса на физическом факультете МГУ. В сочетании с фундаментальным образованием в области физики описанная система подготовки акустиков, как показало время, весьма эффективна и не имеет аналогов в мире. Спрос на специалистов, выпускаемых кафедрой, всегда был высоким.

Источник: https://phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2004/1(37)-2004/acoustics/