Наша жизнь наполнена звуками: от человеческой речи и музыки до шума машин и природных явлений. С физической точки зрения, звук представляет собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде — будь то воздух, вода или твердое тело. Например, колеблющаяся струна создает в воздухе чередующиеся зоны сжатия и разрежения, формируя звуковую волну. Когда эта волна достигает уха, она вызывает колебания барабанной перепонки, что и воспринимается как звук.
Что изучает акустика?
Изначально акустика (от греческого «akustikos» — слуховой) фокусировалась на изучении звуковых волн, воспринимаемых человеческим ухом, в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Низкочастотные звуки, такие как удар барабана, соответствуют частотам от 16 до 200 Гц, а высокие, подобные свистку, — от 5 кГц и выше. Сегодня эта область науки охватывает гораздо более широкий спектр упругих колебаний. Звуковые волны с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком, от 20 кГц до 1 ГГц — ультразвуком, а колебания выше 1 ГГц относят к гиперзвуку.
Прикладные направления акустики
Одним из практических применений акустики является работа со звуковой информацией: ее передача, запись и воспроизведение, например, с помощью магнитофонов. Отдельная важная область — архитектурная акустика, которая занимается проектированием залов для обеспечения оптимальной слышимости. Ключевым понятием здесь является реверберация — многократное отражение звуковых волн от поверхностей, приводящее к их постепенному затуханию. Время реверберации критически важно: если оно слишком велико, звуки накладываются друг на друга, создавая гул; если слишком мало — звук становится глухим и невыразительным. Задача специалистов — найти идеальный баланс для каждого конкретного помещения.
Геоакустика исследует распространение звука в земной коре, что помогает изучать строение планеты и процессы в ее недрах.
Гидроакустика: звук под водой
Звук распространяется в воде эффективнее, чем в воздухе. Например, волна частотой 2000 Гц может преодолеть под водой 15–20 км. Это свойство легло в основу гидроакустики, используемой для измерения глубины, изучения рельефа дна и навигации. Принцип эхолокации прост: измеряется время между отправкой звукового импульса и возвращением его эха. Современные гидролокаторы излучают высокочастотные звуковые импульсы, а отраженный сигнал улавливается акустическими приемниками, аналогичными по принципу действия микрофонам. Это позволяет не только измерять глубину, но и обнаруживать подводные препятствия и объекты.
Ультразвук и его применение
Прорывом в акустике стало открытие братьев Пьера и Поля Кюри в 1880 году — пьезоэлектрический эффект. Они обнаружили, что при сжатии кристалла кварца на его гранях возникают электрические заряды. Это свойство позволило создавать датчики для ультразвука: волна, сжимая кристалл, генерирует переменный электрический ток. И наоборот, подавая переменное напряжение на кристалл, можно заставить его колебаться и излучать ультразвуковую волну.
Сегодня ультразвуковые технологии нашли широкое применение. Ультразвуковые дефектоскопы выявляют внутренние дефекты в металлах, бетоне и других материалах, анализируя отражение волн от неоднородностей. Ультразвук используется для резки и сверления твердых материалов, включая металлы, стекло и алмазы. В медицине ультразвуковой луч служит высокоточным инструментом в хирургии и применяется для лечения опухолей.
Современный этап: акустоэлектроника
С развитием электроники возникло новое междисциплинарное направление — акустоэлектроника. Она изучает взаимодействие акустических волн с электромагнитными полями и электронами в различных средах. Устройства, созданные на основе этих принципов, используются для обработки радиосигналов, управления оптическим излучением, а также для операций с информацией: ее считывания, хранения и записи. Это направление продолжает расширять границы применения акустических технологий в современной науке и технике.