АКУСТИКА

АКУСТИКА (греческий akustikos — слуховой) — учение о звуке; раздел физики, изучающий свойства, возникновение, распространение и прием упругих волн в газообразных, жидких или твердых средах.

Акустика — одна из самых древних областей физики — зародилась в связи с потребностью дать объяснение явлениям слуха и речи. Так, еще Эмпедокл (490—430 годы до нашей эры) объяснял распространение и восприятие звуков движениями особого (тонкого) вещества, исходящего из звучащего тела и попадающего в ухо. Аристотель (384—322 году до нашей эры) уже понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения воздуха, и сумел объяснить процесс возникновения эха. Он четко разграничивал высоту, силу и тембр звука и связывал их с различиями в скорости и количестве движущегося воздуха и с устройством голосового аппарата. Пифагор (6 век до нашей эры) первый сформулировал законы колебания струн.

Этапом в развитии акустики стали работы Галилея и Мерсенна (17 век), которые установили количественные законы колебания струн и первыми определили скорость звука в воздухе. Гассенди (17 век) установил, что скорость звука не зависит от его высоты. Братья Вебер (1825) и Савар (1820) показали, что распространение звука в жидкостях и упругих телах совершается по тем же законам, что и в воздухе. В 1863 году вышла книга Гельмгольца «Учение о звуковых ощущениях», а в 1877—1878 годы — труд Релея «Теория звука».

Гельмгольц объяснил физическую природу звуков, исходя из разработанного им метода анализа звуков (резонаторы Гельмгольца), объяснил восприятие звука законами физики.

Новый этап развития акустики начался в связи с развитием электронной техники, созданием электронных усилителей, нахождением новых способов генерирования звуков вплоть до весьма высоких частот (миллионы колебаний в секунду). Особенно интенсивно акустика стала развиваться в связи с проблемой радио- и телевещания.

Современную акустику можно подразделить на общую, или теоретическую, физиологическую, медицинскую, музыкальную, архитектурную, техническую и атмосферную; выделяют также электроакустику и гидроакустику.

Общая, илитеоретическая, акустика изучает (теоретически и экспериментально) процессы возникновения и распространения звука (см.), а также методы акустических измерений.

Колеблющееся тело (источник колебаний) создает в окружающей среде зоны попеременного увеличения и уменьшения давления, распространяющиеся в разные стороны в виде упругих колебаний (волн) со скоростями, определяемыми свойствами среды, в к-рой они распространяются. Напр., скорость распространения упругих волн в воздухе при t° 0° составляет 331 м/сек, в воде — 1440—1500 м/сек, в костной ткани — 3380 м/сек. Упругие колебания характеризуются частотой колебания (f), длиной волны (λ), интенсивностью колебания (I). Частота колебаний определяется в герцах (гц); 1 гц равен одному колебанию в секунду. Если частота упругих колебаний находится в пределах 16—20000 гц, то они воспринимаются органом слуха человека в виде звука, высота которого определяется частотой колебаний; при этом большей частоте соответствуют более высокие звуки.

Сила звука определяется через интенсивность звука или количество звуковой энергии, протекающей через 1 см² за 1 сек. Интенсивность колебания максимальна у источника колебаний, убывает с расстоянием.

Колебания ниже 16 и выше 20000 гц (с отклонениями в ту или иную сторону) ухом человека в виде звуков не воспринимаются и носят название Вибрация). Границы восприятия звуковых волн животными существенно отличаются от указанных цифр (например, морские свинки, хомяки и некоторые другие животные воспринимают звуки с частотой до 100000 гц).

Физиологическая акустика изучает физику и биофизику органов слуха и речи, а также последствия действия упругих колебаний, поскольку последние способны оказывать на биологические объекты (в том числе и на организм в целом) механическое, тепловое и физико-химические воздействия. Важное значение при этом имеют интенсивность звуковой энергии и частота. Так, например, при интенсивности звука порядка 10-4вт/см² наступает болевое ощущение. Интенсивные звуки, лежащие даже ниже порога болевого ощущения, вредно сказываются на здоровье и работоспособности. Продолжительное действие сильного шума может привести к Акустическая травма). Вместе с тем чувствительность уха человека к звукам различной высоты неодинакова. Наибольшую чувствительность ухо имеет к тонам 1000—3000 гц.

Упругие колебания различных диапазонов частот вызывают специфические воздействия, однако для всех диапазонов частот имеется общее в характере их действия: 1) при малых интенсивностях звуковое воздействие на биологический субстрат практически отсутствует; 2) при средних интенсивностях воздействие упругих колебаний вызывает механические, тепловые и физ.-хим. изменения; 3) при больших интенсивностях в биологическом субстрате происходят необратимые изменения, ведущие иногда к гибели организма (см. Звук, биологический эффект действия звуков большой интенсивности).

Медицинская акустика, используя приемы и методы физиологической акустики, исследует и изыскивает возможности применения упругих колебаний в практической медицине (диагностике, терапии, хирургии).

Особое внимание уделяется изучению упругих колебаний, возникающих в организме человека при работе его внутренних органов и кровеносной системы (например, механическая деятельность сердца, легких, пульсовые волны и так далее). Эти исследования, проводимые в условиях нормы и патологии, служат основой создания акустических приборов и аппаратов, а также некоторых методов исследования (например, аускультация, пневмография, фонокардиография). Для диагностики заболеваний органа слуха, а также исследования слухового анализатора используется внешний звуковой генератор (см. Аудиометрия, аудиометр).

Одним из разделов использования звуковых колебаний в медицине являются устройства для протезирования голосового аппарата и коррекция слуха больного (см. Слуховые аппараты).

Особенно широко применяется ультразвук. Он используется для терапии, обеспечивая высокую эффективность лечебного действия, все шире применяется в диагностических целях, дополняя рентгенографию. Ультразвук нашел применение в хирургии, что обусловлено легкостью получения мощных ультразвуков, при необходимости в виде тонких пучков с возможностью фокусировки их подобно оптическим лучам. Это используется при лечении некоторых болезней мозга, когда необходимо локально некротизировать ткань (интенсивность каждого из направленных в заданную точку лучей ультразвука недостаточна, чтобы вызвать какое-либо патологическое изменение, но в фокусе их суммарная интенсивность оказывается достаточной, чтобы некротизировать ткань).