Мир, который нас окружает, можно с уверенностью назвать миром звуков, ведь вокруг нас постоянно звучат голоса, музыка, щебет птиц, звук ветра. Звуковые волны помогают людям общаться, получать информацию об окружающем их мире. Для животных звуки имеют не меньшее значение. С точки зрения физики, звуки представляют собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде: воде, воздухе, твердом теле и так далее. Человеческие уши способны слышать звук, когда звуковые частоты находятся в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Колебания с более высокими или более низкими частотами не слышны для человека.
Наука акустика занимается решением разнообразных вопросов, в том числе вопросов, связанных с особенностями и свойствами слуха. Предметом изучения физиологической акустики является непосредственно орган слуха, его строение, действие и устройство. Архитектурная акустика занимается изучением того, как распространяются звуковые волны в помещении, рассматривает влияние формы и размеров помещения на звук, изучает свойства материалов с токи зрения распространения и подавления звуков. Музыкальная акустика занимается изучением музыкальных инструментов, исследует условия наилучшего звучания того или иного инструмента.
Физическая акустика изучает сами звуковые колебания, звуковые волны, в последнее время она также стала охватывать колебания, которые лежат за пределами возможностей слуховой системы человека.
Основные понятия акустики
Появление звука обусловлено механическими колебаниями упругих тел и сред. Воздух является для звука проводником. Это доказал опыт Роберта Бойля. Если поставить какое либо звучащее тело под колоколом воздушного насоса, тогда по мере откачивания из-под колокола воздуха звук будет становиться слабее. Когда воздух под колоколом закончится, звук и вовсе прекратится.
Во время колебаний тело попеременно то создает разряжение в слое воздуха, прилегающего к его поверхности, то сжимает этот слой. В результате распространение волн в воздушном пространстве начинается с колебаний слоя воздуха у поверхности тела.
По мере того, как звуковые волны распространяются в пространстве, наблюдается затухание звука, которое связано с определенными необратимыми процессами. Смысл заключается в том, что часть энергии, переносимой звуковой волной, поглощается средой.
Коэффициентом поглощения называется величина, которая равна отношению звуковой энергии, поглощенной средой, к энергии, которая поступила в среду. На коэффициент поглощения оказывает влияние внутреннее трение или вязкость среды, ее теплопроводность, плотность среды и скорость распространения волны.
Распространяясь в среде, волна когда-нибудь доходит до ее границы. После этой границы начинает иная среда, которая состоит из других частиц и в которой другая скорость звука. На этой границе осуществляется отражение звука. При этом разрежение частиц превращается в сгущение, а сгущение – в разряжение.
Данный эффект происходит потому, что колебания, которые волна приносит к границе среды, передаются к частицам другой среды и становятся источником новой волны. Вторичная волна будет распространяться не только во второй среде, но и в той, откуда она изначально пришла. Это и будет отраженная звуковая волна.
На границе сред происходит частичное прохождение звука во вторую среду и частичное поглощение звука. Доля отраженной энергии будет зависеть от соотношения плотностей сред, а также от состояния поверхности раздела. К примеру, отражение звуковой волны, распространяющейся в воздухе, от жидкой поверхности или твердого тела происходит почти полностью. Звуковые волны, распространяющиеся в твердом теле, почти полностью будут отражаться на границе с воздухом.
С явлением отражения напрямую связано возникновения эха. Суть этого явления состоит в том, что звук доходит от источника до некого препятствия, которое станет границей сред, и отражается от него, возвращаясь к месту возникновения волны.
