Исторический очерк. А.-
одна из самых древних областей знания, зародившаяся из потребности
дать объяснение явлениям слуха и речи и в особенности музыкальным звукам
и инструментам. Ещё др.-греч. математик и философ Пифагор (6 в. до н. э.)
обнаружил связь между высотой тона и длиной струны или трубы; Аристотель
(4 в. до н. э.) понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения
воздуха, и объяснял эхо отражением звука от препятствий.
Период средневековья
мало что дал развитию А.; её прогресс становится заметным, начиная с эпохи
Возрождения. Итал. учёный Леонардо да Винчи (15- 16 вв.) исследовал отражение
звука, сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн
от разных источников.
Историю развития
А., как физ. науки, можно разбить на 3 периода. Первый период - от начала
17 в. до нач. 18 в.- характеризуется исследованиями системы муз. тонов,
их источников (струны, трубы), скорости распространения звука. Г. Галилей
обнаружил, что звучащее тело испытывает колебания и что высота звука зависит
от частоты этих колебаний, а интенсивность звука - от их амплитуды. Франц.
учёный М. Мерсенн, следуя Галилею, уже мог определить число колебаний звучащей
струны; он впервые измерил скорость звука в воздухе. Р. Гук (Англия) устанавливает
на опыте пропорциональность между деформацией тела и связанным с ней напряжением
- осн. закон
теории упругости и А., а X. Гюйгенс (Голландия) - важный принцип волнового
движения, назв. его именем (см. Волиы).
Второй период
охватывает два века - от создания основ механики И. Ньютоном (конец 17
в.) и до нач. 20 в. В этот период А. развивается как раздел механики. Создаётся
общая теория меха-нич. колебаний, излучения и распространения звуковых
(упругих) волн в среде, разрабатываются методы измерения характеристик
звука (звукового давления в среде, импульса, энергии и потока энергии звуковых
волн, скорости распространения звука). Диапазон звуковых волн расширяется
и охватывает как область инфразвука (до 16 гц), так и ультразвука (св.
20 кгц). Выясняется физ. сущность тембра звука (его "окраски"),С работ
Ньютона начинается расцвет классич. физики. Механика, гидродинамика и теория
упругости, теория волн, акустика и оптика развиваются в тесной связи друг
с другом. Члены Петерб. Академии наук Л. Эйлер и Д. Бернулли и франц. учёные
Ж. Д'Аламбер и Ж. Лаг-ранж разрабатывают теорию колебаний струн, стержней
и пластинок, объясняют происхождение обертонов. Нем. учёный Э. Хладни (кон.
18 - нач. 19 вв.) экспериментально исследует формы звуковых колебаний,
совершаемых различными звучащими телами - мембранами, пластинами, колоколами.
Т. Юнг (Англия) и О. Френель (Франция) развивают представления Гюйгенса
о распространении волн, создают теорию интерференции и дифракции волн.
X. Доплер (Австрия) устанавливает закон изменения частоты волны при движении
источника звука относительно наблюдателя. Огромное значение не только для
А., но и для физики в целом имело создание методов разложения сложного
колебательного процесса на простые составляющие - анализа колебаний - и
синтеза сложных колебаний из простых. Матем. метод разложения периодически
повторяющихся процессов на простые гармонич. составляющие был найден франц.
учёным Ж. Фурье. Экспериментально анализ звука - разложение его в спектр
гармонич. колебаний с помощью набора резонаторов - и синтез сложного звук
я из простых составляющих осуществил гм. учёный Г. Гельмгольц. Подбором
каг-ертонов с резонаторами Гельмгольцу удалось искусственно воспроизвести
различные гласные. Он исследовал состав муз. звуков, объяснил тембр звука
характерным для него набором добавочных тонов (гармоник). На основе своей
теории резонаторов Гельмгольц дал первую физ. теорию уха как слухового
аппарата. Его исследования заложили основу физиологической акустики и музыкальной
акустики. Весь этот этап развития А. подытожен англ, физиком Рэлеем (Дж.
Стретт) в его классич. труде "Теория звука".
На рубеже 19
и 20 вв. важные работы по А. были выполнены рус. физиком Н. А. Умовым,
к-рый ввёл понятие плотности потока энергии для упругих волн. Амер. учёный
У. Сэбин заложил основы архитектурной акустики. Рус. физик П. Н. Лебедев
(вместе с Н. П. Неклепае-вым) выделил из резкого звука электрич. искры
ультразвуковые волны с частотами до неск. сот кгц и исследовал .их поглощение
в воздухе.
К нач. 20 в.
интерес к А. ослабевает; А. считают теоретически и экспериментально завершённой
областью науки, в к-рой остались нерешёнными лишь задачи частного характера.
Третий, современный
период в истории А., начинающийся в 20-х гг. 20 в., связан, прежде всего,
с развитием электроакустики и созданием радиотехники и радиовещания. Перед
А. встал новый круг проблем - преобразование звуковых сигналов в электромагнитные
и обратно, их усиление и неискажённое воспроизведение. В то же время радиотехника
и электроакустика открыли невиданные ранее возможности развития А. Электроакустика
появилась ещё в последней четверти 19 в. В 1876 был изобретён телефон (Белл,
США), в 1877 - фонограф (Эдисон, США). В 1901 была разработана магнитная
запись звука, применённая затем в магнитофоне и звуковом кино. В нач. 20
в. электромеханические преобразователи звука были применены в громкоговорителях,
а в 20-х гг. стали основой всей совр. акустич. аппаратуры.
Электронная
лампа дала возможность усиления чрезвычайно слабых акустич. сигналов, преобразованных
в электрические. Были разработаны методы радио-акустич. измерений, анализа
и воспроизведения звука. Эти новые возможности революционизировали А.,
превратив её из считавшейся завершённой области механики в самостоятельный
раздел совр. физики и техники.
Развитие А.
в 1-й пол. 20 в. получило мощный импульс в связи с запросами военной техники.
Задача определения положения и скорости самолёта (звуковая локация в воздухе),
подводной лодки (гидролокация), определение места, времени и характера
взрыва, глушение шумов самолёта - все эти проблемы требовали более глубокого
изучения механизма образования и поглощения звука, распространения звуковых
(в частности, ультразвуковых) волн в сложных условиях. Проблемы генерации
звука стали предме* том обширных исследований и в связи с развитием общей
теории колебаний, охватывающей воедино механич., электрич. и электромеханич.
колебательные процессы. В 20-х и 30-х гг. много работ было посвящено теории
автоколебаний - самоподдерживающихся колебаний системы, связанной с постоянным
источником анергии; большой вклад в разработку этой теории внесла сов.
школа физиков, возглавлявшаяся Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Особый
интерес вызвал вопрос о распространении звуковых волн большой интенсивности
(напр., взрывных волн); работы рус. физиков А. А. Эй-хенвальда и Н. Н.
Андреева в этой области внесли значит, вклад в нелинейную акустику, предметом
исследования которой являются мощные звуковые поля. М. Лайтхилл (Англия,
1952) дал общую теорию аэродинамич. генерации звука, изучающую возникновение
звука в движущейся среде за счёт неустойчивости потока газа. Н. Н. Андреев
и И. Г. Русаков (1934), Д. И. Блохинцев (1947) разработали основы акустики
движущихся сред.
Первые успехи
в гидроакустике были достигнуты франц. физиком П. Ланже-веном (1916), применившим
ультразвуковые волны для измерения глубины моря и обнаружения подводных
лодок. Явление сверхдальнего распространения звука взрыва в море в подводных
звуковых каналах было открыто независимо американскими учёными (М. Ивингом
и Д. Ворцелем, 1944) и советскими учёными (Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенбергом,
1946). Проблемам звукопоглощения и звукорассеяния, которые приобрели особую
актуальность в связи с развитием архитектурной и строительной акустики,
были посвящены исследования С. Н. Ржевкина, Г. Д. Малюжинца и В. В. Фурдуева.
Большое внимание было уделено изучению акустич. шумов и методам их устранения.
Изучение влияния
структуры среды на распространение звука в свою очередь создало возможность
применения звуковых волн для зондирования среды, в частности атмосферы;
это привело к развитию атмосферной акустики.
В последние
два десятилетия чрезвычайно большое значение приобрели исследования ультразвука,
особенно высоких частот и больших интенсивностей, ставшего средством изучения
структуры и свойств вещества. Ещё в 20-х гг. сов. учёный С. Я. Соколов
применил ультразвук для дефектоскопии металлов. В Германии X. О. Кнезер
(1933) обнаружил явление сильного поглощения и дисперсии ультразвука в
многоатомных газах. Позднее дисперсия и аномальное поглощение ультразвука
были обнаружены также и в жидкостях. Общая теория этих явлений, т. н. релаксационная
теория, была дана Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Ультразвуковые
колебания высокой частоты вызывают также перестройку структуры жидкостей,
диссоциацию молекул и мн. другие эффекты. На стыке А. и оптики Мандельштам
(1918, 1926) и Л. Бриллюэн (Франция, 1922) создали теорию рассеяния света
на ультразвуковых волнах в жидкостях и твёрдых телах (см. Мандельштама-Бриллюэна
явление). Это явление оказалось важным для изучения молекулярной структуры
вещества.
Круг вопросов,
связанных с влиянием молекулярной структуры вещества на распространение
ультразвука, называют молекулярной акустикой, к-рая изучает поглощение
и дисперсию ультразвука, в многоатомных газах, жидкостях и твёрдых телах.
Ультразвук оказался не только средством исследования, но и мощным орудием
воздействия на вещество.
Важное значение
приобрели исследования гиперзвука (частоты 1 Ггц и выше). Интенсивно исследуются
взаимодействия гиперзвуковых волн с электронами в металлах и полупроводниках.
Глубокие преобразования
произошли и в старых разделах А. В сер. 20 в. начинается быстрое развитие
психофизиологической акустики, вызванное необходимостью разработки методов
неискажённой передачи и воспроизведения множества звуковых сигналов - речи
и музыки - по ограниченному числу каналов связи. Эти вопросы А. входят
в круг проблем общей теории информации и связи (см. Информации теория.
Кибернетика). Исследовались механизмы образования различных звуков речи,
характер их звукового спектра, основные показатели качества речи, воспринимаемой
на слух. Созданы приборы видимой речи, дающие видимые изображения различных
звуков (см. также Звукового поля визуализация). Разрабатываются методы
кодирования речи (сжатой передачи её основных элементов) и её расшифровки
(синтеза), развернулись исследования механизмов слухового восприятия, ощущения
громкости, определения направления прихода
звука (венг. учёный Д. Бекеши). В этой области А. сомкнулась с физиологией
органов чувств и биофизикой. Таким
образом, совр. А. по своему содержанию и значению далеко перешагнула те
границы, в к-рых она развивалась до 20 в.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я