Что такое акустика
Акустика — раздел физики, изучающий механические колебания и волны в различных средах: газах, жидкостях и твёрдых телах. Звук — это продольные механические волны (колебания давления), распространяющиеся через среду. В вакууме звука нет — нечему колебаться. Поэтому взрывы в космосе, как в голливудских фильмах, беззвучны.
Человеческое ухо воспринимает частоты 20 Гц — 20 000 Гц (20 кГц). Ниже 20 Гц — инфразвук (не слышен, но ощущается телом при большой мощности). Выше 20 кГц — ультразвук. Собаки слышат до 65 кГц, кошки — до 79 кГц, летучие мыши — до 200 кГц. Дельфины общаются в диапазоне 200 Гц — 150 кГц.
Физические характеристики звука
Скорость звука зависит от среды и её температуры. В воздухе при 20°C — 343 м/с (около 1235 км/ч). При −50°C — около 299 м/с. В воде — около 1500 м/с (в 4,4 раза быстрее). В стали — 5100–6100 м/с. Именно поэтому врач прикладывает стетоскоп — звук в коже и мышцах передаётся лучше, чем через воздух.
Частота и высота тона: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Нота «ля» первой октавы — стандартная настройка инструментов: 440 Гц. Мужской голос — 85–180 Гц, женский — 165–255 Гц. Самый низкий орган (Hinsz, 1721) производит 8 Гц — ниже слышимого диапазона, воспринимается телом как вибрация.
Громкость (уровень звукового давления) измеряется в децибелах (дБ) — логарифмическая шкала. 0 дБ — порог слышимости (20 мкПа). Каждые +10 дБ — интенсивность в 10 раз больше, каждые +20 дБ — амплитуда звукового давления в 10 раз больше. 30 дБ — тихая библиотека. 60 дБ — разговор на расстоянии 1 м. 85 дБ — длительное воздействие вызывает потерю слуха. 120 дБ — болевой порог. 194 дБ — физический максимум для воздуха при атмосферном давлении (ударная волна).
Резонанс и стоячие волны
Резонанс — резкое увеличение амплитуды колебаний, когда частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой тела. Певческий голос разбивает бокал: найдя его резонансную частоту (~400–700 Гц), певец-сопрано раскачивает стекло до разрушения. Тактуомский мост (Tacoma Narrows, США, 1940) резонировал под действием ветра и обрушился через 4 месяца после постройки — классический пример катастрофического резонанса.
Музыкальные инструменты используют резонанс и стоячие волны. В трубе с двумя открытыми концами длиной L образуется стоячая волна с основной частотой f = v/2L. Дека скрипки или гитары усиливает звук через резонанс, передавая колебания струны воздуху. Без деки скрипка звучала бы почти неслышно.
Применения акустики
Медицинская акустика: УЗИ (ультразвуковая диагностика) использует частоты 2–18 МГц. Зонд посылает короткие импульсы ультразвука, приёмник фиксирует отражения от границ тканей. Время пробега → расстояние → изображение в реальном времени. Безопасен для плода. Литотрипсия: сфокусированные ударные волны дробят камни в почках без операции — 80–90% успеха.
Архитектурная акустика: время реверберации (T60 — время, за которое звук затухает на 60 дБ) — ключевой параметр. Концертный зал: 1,5–2 секунды оптимально для симфонической музыки. Студия звукозаписи: 0,2–0,4 с. Лекционная аудитория: 0,5–0,8 с. Оперный театр Ла Скала (Милан, 1778) имеет T60 около 1,2 с — специально укорочено для вокала.
Гидроакустика (сонар): эхолокация для навигации подводных лодок и рыболовства. SONAR (Sound Navigation And Ranging) — аналог радара в воде. Синие киты общаются инфразвуком 10–40 Гц на расстоянии до 1600 км. Кашалоты генерируют щелчки до 230 дБ — самый громкий биологический звук.
Ультразвуковая очистка: ванны с ультразвуком (20–40 кГц) создают кавитацию (лопание пузырьков) на поверхности деталей, удаляя загрязнения из микротрещин. Используется в ювелирном деле, хирургии, часовой промышленности.