Мир, окружающий нас, с полным правом можно назвать миром звуков.
Звучат вокруг голоса людей и музыка, шум ветра и щебет птиц, рокот
моторов и шелест листвы... С точки зрения физики звук - это механические
колебания, которые распространяются в упругой среде: воздухе, воде,
твердом теле и т. п. Колеблющаяся струна приводит в движение окружающий
ее воздух, то сжимая его, то разрежая. Слои повышенного и пониженного
давления разбегаются друг за другом во все стороны и образуют звуковую
волну. Достигая нашего уха, механические колебания передаются барабанным
перепонкам - мы слышим звучащую струну.
Способность человека воспринимать упругие колебания, слышать их
отразилась в названии учения о звуке - акустика (от греческого akustikos
- слуховой, слышимый), которое исследовало поначалу именно слышимые
человеком звуковые волны с частотой от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц- 1
колебание в 1 с). Низким звукам (бой барабана) соответствуют низкие
частоты, от 16 до 200 Гц; высоким (свисток)-средние и высокие частоты,
от 5000 Гц (5 кГц) и выше. Сейчас акустика как область физики
рассматривает более широкий спектр упругих колебаний - от самых низких
частот до предельно высоких, вплоть до 1012-1013 Гц. Не слышимые
человеком звуковые волны с частотами меньше 16 Гц называют инфразвуком,
от 20 кГц до 109 Гц - у л ь т р а з в у к о м, а колебания с частотами
выше 109 Гц - гиперзвуком.
Передача звуков на расстояние (см. Радио, Телефонная связь), а также
различные способы их записи и воспроизведения (граммофонные и
магнитофонные)- все это лишь одна из сфер применения акустики, а именно
переработка, передача, хранение и использование звуковой информации.
Специальная отрасль науки - архитектурная акустика - занимается
проектированием концертных, лекционных, театральных и других залов, ее
цель - обеспечение хорошей слышимости. Звуковые волны в помещении могут
многократно отражаться от стен и предметов, как бы блуждая по залу и
постепенно затухая. Такое явление называется реверберацией. Время
реверберации определяет качество помещения с точки зрения акустики. При
очень большом времени реверберации звуки <бродят> по залу, наклады-ваясь
друг на друга и заглушая источник основного звука, зал становится
слишком гулким. Малое время реверберации тоже плохо - звуковые волны
быстро поглощаются стенами, и оттого звуки получаются глухими, теряют
свою выразительность. Вот и ищут архитекторы-акустики <золотую середину>
для каждого зала.
Распространение звука в земной коре исследует геоакустика, используя
полученные данные для изучения строения нашей планеты и протекающих в ее
недрах процессов.
Замечено, что особенно хорошо звук распространяется в воде - лучше, чем
в воздухе. Например, звуковая волна с частотой около 2000 Гц легко
проходит под водой расстояние в 15-20 км. Это свойство звука
используется в гидроакустике - для измерения глубины моря, изучения
рельефа дна, а также в целях навигации. Известно, что если крикнуть,
например, в горах и отметить время до прихода эха, то нетрудно
определить расстояние до места, от которого звук был отражен,- для этого
нужно умножить скорость звука на время, поделенное пополам. С помощью
эха можно измерить и глубину моря. Вначале это делали с помощью эхолота.
У одного из бортов корабля взрывали в воде пороховой патрон, а
отраженный от дна звук - эхо - принимали у другого борта с помощью
специальной трубы, опущенной в воду. В наши дни подобную роль выполняет
гидролокатор, который по своему принципу действия аналогичен
радиолокатору (см. Радиолокация). Через определенные промежутки времени
приборы излучают в воду звуковые импульсы высокой частоты. Эхо
улавливается акустическими приемниками, приборами, схожими по принципу
действия с микрофоном. С помощью гидролокатора удается измерять глубину,
определять препятствия перед кораблем, а также детально исследовать
очертания морского дна и подводных объектов.
Акустические приборы: высотомер,
гидролокатор
Схема акустического прибора для предсказания
шторма с применением пьезокристалла: 1 - резонатор Гельмгольца; 2 -
пьезокристалл; 3 - усилитель.
В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Поль Кюри сделали
открытие, которое оказалось очень важным для акустики. Они обнаружили,
что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, на гранях кристалла
появляются электрические заряды. Это свойство - пьезоэлектрический
эффект - теперь широко используется для обнаружения не слышимого
человеком ультразвука. В самом деле, если кристалл окажется на пути
ультразвуковой волны, она сожмет его - и на гранях появятся
электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует
переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными
приборами. И наоборот, если к граням кристалла приложить переменное
электрическое напряжение, он начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь, с
частотой изменения напряжения. Колебания кристалла будут передаваться
воздуху (или любой другой граничащей с кристаллом среде - воде, твердому
телу и т. п.), и возникнет ультразвуковая волна.
Приемники и излучатели ультразвуковых волн находят все более широкое
применение в науке и технике. Например, распространяясь в металле,
ультразвук отражается от различных неоднородностей внутри него -
раковин, трещин, инородных примесей. Специальный прибор - ультразвуковой
дефектоскоп (см. Дефектоскопия) позволяет контролировать качество
металлических изделий, бетонных опор и плит. Ультразвуком можно резать и
сверлить металлы, стекло и даже алмазы (см. Электрофизические методы
обработки). Тонкий ультразвуковой луч заменяет скальпель хирурга в очень
точных и сложных операциях и помогает лечить опухоли (см. Медицинская
техника).
С развитием электроники появилось новое направление в области акустики -
акустоэлектроника, которая занимается исследованием эффектов
взаимодействия акустических волн с электромагнитными полями и
электронами проводимости в конденсированных средах, а также созданием
устройств, действующих на основе этих эффектов. Акустоэлектронные
устройства используются для обработки радиосигналов в радиоэлектронной
аппаратуре, для управления спектральным составом оптического излучения,
для считывания, хранения и записи информации.
