Краткая история развития акустики

Акустика как учение о звуке (от греч. acustikos – слуховой) – одна из самых древних областей знания, зародившаяся из потребности дать объяснение явлениям слуха и речи и в особенности музыкальным звукам и инструментам.

1. I-й период истории развития акустики  – начиная с древней истории и до конца XVII в., характеризуется исследованиями системы музыкальных тонов и их источников (струны, трубы). Древнегреческий философ и математик Пифагор отмечал, что существует связь между высотой тона и длиной струны. В своих опытах он использовал монохорд. Монохорд состоит из основания (иногда – резонаторного ящика), на котором между двумя порожками (подставками) закреплена натянутая струна. Между ними находится подвижная подставка (прижимающая струну снизу), перемещением которой фиксируют звучащую часть струны.

Пифагор доказал, что особенно гармоничные комбинации тонов создают струны с одинаковым диаметром и натяжением, длины которых находятся в отношении 2:1 (говорят, что два таких тона отличаются на интервал в одну октаву). Интервал, известный под названием квинты, получается при отношении 3:2, а интервал, известный под названием кварты, получается при отношении 4:3. Деление струны на пять частей не рассматривалось, а все остальные звуковые отношения выводились из выше найденных числовых определений.

Пифагор ввел математическое объяснение основ гармонии и создал первый музыкальный строй, в основе которого лежала квинта.

Существует легенда, согласно которой Пифагор, проходя мимо кузницы, услышал гармоничное звучание металлических болванок, которое возникало при ударе кузнечных молотов.

Ученик Пифагора Гиппас изготовил четыре медных диска различной толщины, но одного диаметра, благодаря чему установил соотношения между массой дисков и музыкальными тонами. Таким образом, опыт Гиппаса следует трактовать как еще один метод установления музыкальных отношений.

Знаменитый древнегреческий врач Гиппократ (около 400 лет до н.э.) дал описание анатомии слухового органа и пришел к выводу, что звук проникает в мозг через барабанную перепонку.

Древнегреческий философ Аристотель (IV в. до н.э.) объяснил эхо отражением от препятствий, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха.

Ученик Аристотеля Аристоксен (IV в. до н. э.), исследуя природу пения и речи, установил между ними типологическое различие в колебаниях высоты тона и определил минимальный для слуха интервал высоты звука величиной в диесу (четверть тона).

Древнегреческий математик Эвклид (III в. до н.э.) сформулировал понятия созвучия и диссонанса. Консонанс двух тонов, говорил он, состоит в смешении их, диссонанс же, наоборот, есть неспособность этих звуков смешиваться – почему они и становятся для уха неприятными.

Попытка создания волновой теории звука по аналогии с закономерностями распространения волн на поверхности воды была предпринята в I в. до н.э. инженером из Рима М. Витрувиусом.

В то же время римский поэт и философ Тит Лукреций Кар уже постулировал модель слуха, согласно которой различные тоны воспринимаются небольшими крупицами «песка» во внутреннем ухе. Можно считать, что модель Лукреция как бы заложила основы «корпускулярной теории звука», весьма забавно предугадав открытие фононов современной квантовой акустики.

В эпоху Возрождения итальянский ученый, изобретатель и художник Леонардо да Винчи формулирует принцип независимости распространения звуковых волн от различных источников.

Итальянский анатом и врач Б. Евстахий  в своей работе «Письма об органе слуха», изданной в 1563 г., дал подробное описание органа слуха человека. Евстахий открыл соединительный канал между внутренним ухом и носоглоточным пространством (так называемая евстахиева труба).

В 1582 г. итальянский физик Г. Галилей открывает закон изохронности колебаний маятника (независимость периода колебаний маятника от амплитуды колебаний и массы груза).

В 1614–1618 гг. голландский ученый И. Бекман, изучая колебания струны, пришел к выводу об их изохронности, мотивируя его тем, что затухание звука, связанное с уменьшением амплитуды колебаний струны не сопровождается изменением тона ее звука. Он также установил, что частота тона обратно пропорциональна длине струны.

Исследования И. Бекмана не были опубликованы и стали известны только благодаря французскому ученому М. Мерсенну. В 1625 г. ученый обнаружил зависимость между частотой основного тона, натяжением, площадью поперечного сечения и длиной струны, а также открыл, что струна в большинстве случаев одновременно с основным тоном издает гармонические обертоны. В 1636 г. М. Мерсенн опубликовал работу «Книга о созвучиях» («Harmonicum libri»).

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ЛУГАНСКОЙ ОБЛАСТНОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АДМИНИСТРАЦИИ

КУ "ЛУГАНСКАЯ ОБЛАСТНАЯ МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЕЖИ"

автор – составитель : А. С. Воронкин

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АКУСТИКИ

Луганск - 201 3

ТЕМА I .

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АКУСТИКИ

План

1.1. I-й период истории развития акустики

1.2. I I -й период истории развития акустики

1.3. I II -й период истории развития акустики

Акустика как учение о звуке (от греч. acustikos – слуховой) – одна из самых древних областей знания, зародившаяся из потребности дать объяснение явлениям слуха и речи и в особенности музыкальным звукам и инструментам.

Трудно отдельно анализировать историю развития акустики, т.к. ее становление происходило в тесном взаимодействии со многими другими научными направлениями.

1 . I-й период истории развития акустики

I-й период – начиная с древней истории и до конца XVII в., характеризуется исследованиями системы музыкальных тонов и их источников (струны, трубы).

Древнегреческий философ и математик Пифагор отмечал, что существует связь между высотой тона и длиной струны. В своих опытах он использовал монохорд.

Монохорд состоит из основания (иногда – резонаторного ящика), на котором между двумя порожками (подставками) закреплена натянутая струна. Между ними находится подвижная подставка (прижимающая струну снизу), перемещением которой фиксируют звучащую часть струны.

Пифагор доказал, что особенно гармоничные комбинации тонов создают струны с одинаковым диаметром и натяжением, длины которых находятся в отношении 2:1 (говорят, что два таких тона отличаются на интервал в одну октаву). Интервал, известный под названием квинты, получается при отношении 3:2, а интервал, известный под названием кварты, получается при отношении 4:3. Деление струны на пять частей не рассматривалось, а все остальные звуковые отношения выводились из выше найденных числовых определений.

Пифагор ввел математическое объяснение основ гармонии и создал первый музыкальный строй, в основе которого лежала квинта.

Существует легенда, согласно которой Пифагор, проходя мимо кузницы, услышал гармоничное звучание металлических болванок, которое возникало при ударе кузнечных молотов.

Ученик Пифагора Гиппас изготовил четыре медных диска различной толщины, но одного диаметра, благодаря чему установил соотношения между массой дисков и музыкальными тонами. Таким образом, опыт Гиппаса следует трактовать как еще один метод установления музыкальных отношений.

Знаменитый древнегреческий врач Гиппократ (около 400 лет до н.э.) дал описание анатомии слухового органа и пришел к выводу, что звук проникает в мозг через барабанную перепонку.

Древнегреческий философ Аристотель (IV в. до н.э.) объяснил эхо отражением от препятствий, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха.

Ученик Аристотеля Аристоксен (IV в. до н. э.), исследуя природу пения и речи, установил между ними типологическое различие в колебаниях высоты тона и определил минимальный для слуха интервал высоты звука величиной в диесу (четверть тона).

Древнегреческий математик Эвклид (III в. до н.э.) сформулировал понятия созвучия и диссонанса. Консонанс двух тонов, говорил он, состоит в смешении их, диссонанс же, наоборот, есть неспособность этих звуков смешиваться – почему они и становятся для уха неприятными.

Попытка создания волновой теории звука по аналогии с закономерностями распространения волн на поверхности воды была предпринята в I в. до н.э. инженером из Рима М. Витрувиусом.

В то же время римский поэт и философ Тит Лукреций Кар уже постулировал модель слуха, согласно которой различные тоны воспринимаются небольшими крупицами «песка» во внутреннем ухе. Можно считать, что модель Лукреция как бы заложила основы «корпускулярной теории звука», весьма забавно предугадав открытие фононов современной квантовой акустик и .

В эпоху Возрождения итальянский ученый, изобретатель и художник Леонардо да Винчи формулирует принцип независимости распространения звуковых волн от различных источников.

Итальянский анатом и врач Б. Евстахий в своей работе «Письма об органе слуха», изданной в 1563 г., дал подробное описание органа слуха человека. Евстахий открыл соединительный канал между внутренним ухом и носоглоточным пространством (так называемая евстахиева труба).

Бартоломео Евстахий

В 1582 г. итальянский физик Г. Галилей открывает закон изохронности колебаний маятника (независимость периода колебаний маятника от амплитуды колебаний и массы груза).

В 1614–1618 гг. голландский ученый И. Бекман, изучая колебания струны, пришел к выводу об их изохронности, мотивируя его тем, что затухание звука, связанное с уменьшением амплитуды колебаний струны не сопровождается изменением тона ее звука. Он также установил, что частота тона обратно пропорциональна длине струны.

Исследования И. Бекмана не были опубликованы и стали известны только благодаря французскому ученому М. Мерсенну. В 1625 г. ученый обнаружил зависимость между частотой основного тона, натяжением, площадью поперечного сечения и длиной струны, а также открыл, что струна в большинстве случаев одновременно с основным тоном издает гармонические обертоны. В 1636 г. М. Мерсенн опубликовал работу «Книга о созвучиях» ( «Harmonicum libri» ).

В 1638 г. Г. Галилей устанавливает частоту как физический коррелят ощущения высоты тона, характеризует относительную высоту двух звуков посредством отношения их частот. В 1641 г. для количественного измерения промежутков времени Галилей предлагает использовать маятники в часах.

В 1643–1644 гг. итальянский математик и физик Э. Торричелли открывает атмосферное давление, нанеся тем самым удар по господствующему аристотелевскому утверждению о том, что «природа боится пустоты».

Трубка Торричелли

Стеклянную трубку длины около, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Отверстие трубки закрывают пальцем, чтобы ртуть не вылилась, и трубку опускают в вертикальном положении отверстием вниз в сосуд с ртутью. Если теперь убрать палец от отверстия трубки, то столб ртути упадет до высоты около 760 мм над уровнем ртути в сосуде.

В 1650–1651 гг. немецкий физик О. Герике изобрёл вакуумную откачку (насос). Поместив колокол в сосуд, из которого можно было откачивать воздух и, приспособив часовой механизм так, чтобы колокол звонил автоматически, он отчетливо наблюдал ослабление звука по мере уменьшения давления воздуха в сосуде.

Для демонстрации силы давления воздуха и изобретённого им воздушного насоса он создал вакуум между двумя медными полушариями ( Магдебургские полушария ). Давление наружного воздуха сжимало эти полушария настолько сильно, что их не могли разорвать даже упряжки лошадей.

Марка ГДР с изображением эксперимента

Вслед за Герике опыты с разреженным воздухом начали проводить и другие ученые.

Так , в 1660 г. английский физик Р. Бойль разрабатывает оригинальную конструкцию насоса и своим экспериментом подтверждает закон уменьшения интенсивности звука при разрежении воздуха, тем самым демонстрируя важную связь между источником звука и упругостью среды.

В 1657 г. Х. Гюйгенс получил патент на конструкцию маятниковых часов – тех самых, которые в последние годы жизни пытался создать Галилей.

В историю маятниковые часы так и вошли под двойным именем: Галилея–Гюйгенса.

В 1660 г. английский ученый Р. Гук устанавливает на опыте пропорциональность между деформацией тела и связанным с ней напряжением – основной закон теории упругости.

К закону Гука. Из дневника Гука Иллюстрация закона Гука

2. II-й период истории развития акустики

II-й период охватывает два столетия – от создания основ механики И. Ньютоном (конец XVII в.) и до начала XX в.

В этот период акустика развивается как раздел механики. Создаётся общая теория механических колебаний, излучения и распространения упругих волн в средах, разрабатываются методы измерения характеристик звука (звукового давления, импульса, энергии и потока энергии звуковых волн, скорости распространения звука).

В 1678–1690 гг. Х. Гюйгенс открывает важнейший принцип волнового движения (названный впоследствии его именем). Волновая модель Гюйгенса была подтверждена различными опытами, проведенными в начале XIX века.

В 1683 г. французский ученый Ж. Дюверней в труде «Трактат об органе слуха» точно описывает строение костного лабиринта и среднего уха. Его рисунки строения улитки б ыли признаны классическими и использовались во многих странах для подготовки врачей.

Английский физик И. Ньютон в своем труде «Математические начала натуральной философии» рассматривает звук как процесс распространения импульсов давления в среде и рассчитывает исходя из теоретических соображений значение скорости звука в воздухе.

Исаак Ньютон

Целый ряд выдающихся открытий в области акустики сделал французский математик Ж. Совер. Он первым предложил точный способ определения числа колебаний звука при помощи биений. Впервые, основываясь на исследованиях М. Мерсенна, научно объяснил феномен обертонов, в связи с чем ввел понятие «основной тон». В 1701 г. Ж. Совер, рассматривая колебания струны, ввел понятие о стационарных состояниях или стоячих волнах, как мы их теперь называем.

Работы крупнейших ученых – швейцарцев Л. Эйлера и Д. Бернулли, француза Ж. Даламбера и итальянца Ж. Лагранжа позволили разработать теорию колебаний струн, стержней и пластинок, объяснить происхождение обертонов.

Л. Эйлер

Д. Бернулли

Ж. Даламбер

Ж. Лагранж

В конце XVIII в. Лагранж в своем замечательном труде «Аналитическая механика» создает мощный математический аппарат в виде хорошо известных теперь уравнений движения в обобщенных координатах. Рассмотрев с его помощью некоторые задачи теории колебаний, приводящие к интегрированию линейных дифференциальных уравнений, он тем самым заложил основы линейной теории колебаний.

Немецкий органист и музыкальный теоретик Г. А. Зорге в Гамбурге (1744 г.), итальянский скрипач и композитор Дж. Тартини в Падуе (1754 г.) и Ромье в Монпелье (1753 г.) впервые обнаружили существование комбинационных тонов, которые вырабатывает само ухо из одновременно воспроизводимых двух тонов.

Немецкий учёный Э. Хладни впервые экспериментально исследует формы звуковых колебаний, совершаемых различными звучащими телами – мембранами, пластинами, стержнями, камертонами и колоколами.

В феврале 1809 г. во дворце Тюильри, официальной резиденции императора Наполеона Бонапарта, в присутствии императора с супругой и его матери, ученых Лапласа и Бертоле и других зрителей Хладни демонстрирует свои знаменитые песочные фигуры (так называемые фигуры Хладни).

Фигуры Хладни

Фигуры, образуемые скоплением мелких частиц сухого песка вблизи узловых линий на поверхности колеблющейся пластинки или другой механической системы.

Ф игуры Хладни

Наполеон был настолько восхищен увиденным, что на следующее утро распорядился выдать Хладни 6000 франков для перевода на французский язык и публикации его книги «Акустика», изданной ранее (в 1802 г.) на немецком. Это издание Хладни посвящает императору

Французский перевод немецкой книги Хладни «Акустика»: титульный лист, посвящение

В 1809 г. французский учёный Ж. Б. Био проводит измерения скорости звука в твёрдых телах.

В 1810 г. С. Пуассон вводит характеристику упругости – отношение продольного растяжения к поперечному сжатию (коэффициент Пуассона).

Английский ученый Т. Юнг исследует явления дифракции и интерференции.

Французский физик О. Френель, объяснив эти явления, в 1815–1816 гг. дополняет принцип Гюйгенса представлением о когерентности элементарных волн и их интерференции (принцип Гюйгенса – Френеля)

Огюстен Френель

В 1827 г. Ж. Д. Колладон и Я. Ф. Штурм дали убедительное доказательство распространения звука в воде, измерив скорость распространения звука в Женевском озере (1435 м/с).

Французский учёный Ж. Фурье разрабатывает математический метод разложения сложных колебательных процессов на простые гармонические составляющие.

В 1829 г. французским математиком и физиком С. Д. Пуассоном впервые была рассмотрена теория колебаний гибкой мембраны.

Русский ученый М. В. Остроградский решает некоторые задачи о колебаниях, приводящих к нелинейным дифференциальным уравнениям (общей нелинейной теории колебаний в то время так и не было создано).

В 1842 г. австрийский физик Х. Доплер устанавливает закон изменения частоты волны при движении источника относительно наблюдателя.

http://en.es-static.us/upl/2012/06/Dopplerfrequenz.gif

В 1843 г. немецкий физик Г. С. Ом (автор знаменитого в электротехнике «закона Ома») выдвинул оригинальную теорию восприятия звука (акустический «закон Ома»), согласно которой воспринимаемый тембр звука зависит исключительно от амплитудного спектра звука и не зависит от фазовых углов его частотных составляющих.

Французский ученый Г. Вертгейм в 1848 г. определяет частоты стоячих волн в столбах жидкости и экспериментально изучает колебания пластин и стержней.

В 1851 г. итальянский анатом А. Корти обнаружил большое число микроскопических волокон (чувствительный эпителий) в стенке улитки внутреннего уха (эта часть органа слуха была названа в его честь кортиевым органом).

В 1855 г. французский физик Ж. А. Лиссажу разработал оптический метод сложения колебаний в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В 1857 г. ученый представил широкой публике аппарат для демонстрации «фигур Лиссажу»: отклонение светового луча колебаниями двух независимых источников создавало на экране сложные и завораживающие картинки.

Оптический метод сложения колебаний Лиссажу

В 1857 г. Л. Скотт изобретает устройство, позволяющее записывать звук – фоноавтограф. Принцип действия его очень прост: игла, которой передавались колебания звуковой диафрагмы, вычерчивала кривую на поверхности вращавшегося вручную стеклянного цилиндра, покрытого слоем сажи. Устройство позволяло визуализировать звуковые колебания, однако не предлагало способа их воспроизведения. В дальнейшем конструкция фоноавтографа была взята за основу для создания фонографа.

Фоноавтограф

В 1859 г. П. Рийке продемонстрировал звучание вертикально расположенной трубы с двумя открытыми концами («поющая» труба Рийке). Нагретый раскаленной сеткой воздух в основании трубы поднимался вверх, благодаря чему происходило самовозбуждение звуковых колебаний на частоте основного тона трубы. При закрывании верхнего конца звучание прекращалось.

В 1862 г. немецкий физик Р. Кениг разработал устройство, предназначенное для наблюдения формы звуковых колебаний. Главной частью устройства была «манометрическая капсула», представляющая собой полую коробочку, разделенную по середине тонкой каучуковой перегородкой. С одной стороны от перегородки находилась камера А с трубочкой, к которой прикреплен раструб Е для принятия звука, а с другой стороны камера В с маленькой газовой горелкой D и трубкой z для подвода газа.

Газ, выходящий с горелки D , поджигался. Перед горелкой размещалась система оптико-механической развертки – четырехплоскостное зеркало, приводившееся вручную во вращательное движение вокруг своей вертикальной оси. При отсутствии звуковых колебаний – язычок пламени горел спокойно. При воздействии звуковых колебаний на упругую перепонку в горящем газе вызывались соответствующие колебания давления.

В 1862 г. немецкий физик, врач, физиолог и психолог Г. Гельмгольц выдвинул идею, согласно которой характер звучания музыкального инструмента обусловлен различными пропорциями гармоник в общем звуке.

Гельмгольц удачно осуществляет синтез сложного звука из простых составляющих: подбором камертонов с резонаторами он искусственно воспроизводит различные гласные разговорной речи.

Ученый впервые объяснил возникновение разностных тонов как следствие нелинейной обработки сигналов в слуховой системе.

Гельмгольц выдвинул резонансную теорию функционирования внутреннего уха. Ученый для наглядности представил основную (базилярную) мембрану в виде ряда микроскопических струн (как в пианино), резонирующих на различных частотах за счет того, что у основания улитки струны короткие, а ближе к верхушке – более длинные. Предложенная теория позволила уловить саму сущность – частотную избирательность волокон базилярной мембраны .

Дальнейшее изучение механических свойств базилярной мембраны показало, что ей несвойственна, тем не менее, высокая избирательность. Под влиянием звуков в лимфе улитки происходят сложные гидродинамические процессы. Эти наблюдения позволили венгерскому ученому Д. Бекеши в XX веке сформулировать гидродинамическую теорию слуха, называемую также «теорией бегущей волны».

Д. Бекеши

(1899-1972)

в своей лаборатории.

На схеме улитки уха указаны области базальной мембраны, возбуждаемые колебаниями различных частот. Начало улитки механически связано со стремечком, одной из косточек среднего уха.

В 1866 г. немецкий физик А. Кундт предложил способ визуализации стоячих звуковых волн в трубе. В опытах он использовал горизонтально расположенную стеклянную трубку, в которой тонким слоем равномерно были насыпаны мелкие пробковые опилки.

Август Кундт

(1839-1894)

Наблюдение стоячей звуковой волны в трубе Кундта :

во время колебаний пробковая пыль образует тонкие, перпендикулярные к оси трубы слои

В 1868 г. английский физик Дж. Стокс показал, что струна сама по себе является очень плохим источником излучения.

В 1873–1874 гг. русский физик Н. А. Умов опубликовал работы, посвященные развитию важнейшей идеи о движении энергии. Умов вводит понятие плотности потока энергии для упругих волн.

В 1875 г. американский изобретатель А. Белл изготовил первый электрический слуховой аппарат, на основе которого через год был создан телефон. Появилась возможность более совершенной передачи человеческих голосов и музыкальных звуков посредством электрики.

В 1877 г. американский исследователь Т. Эдисон изобрел фонограф, в котором звук записывался на носителе в форме дорожки по цилиндрической спирали на сменном вращающемся барабане.

Основными частями фонографа являются: барабан 1, покрытый оловянной фольгой, и мембрана 2, соединенная с иглой из сапфира. Звуковая волна, действуя через рупор на мембрану, заставляла иглу колебаться – то сильнее, то слабее вдавливаться в фольгу. При вращении ручки, барабан (ось которого имела резьбу) не только вращался, но и перемещался в горизонтальном направлении, на фольге при этом возникала винтовая канавка переменной глубины.

Т. Эдисон и фонограф

Чтобы услышать записанный звук, иглу устанавливали в начало канавки и валик вращали еще раз. Впоследствии вращающийся валик в фонографе был заменен плоской круглой пластиной и борозду на ней стали наносить в виде спирали. Так в 1887 г. появился граммофон .

В 1877–1878 гг. английский физик лорд Рэлей (Дж. У. Стретт) издает фундаментальную 2-х томную монографию «Теория звука». Ученый обобщил не только научные результаты, накопленные в XVIII – XIX вв., но и собственные работы по анализу колебаний струн, мембран, пластин, столбов воздуха и теории распространения колебаний в упругих средах .

Лорд Рэлей, лауреат Нобелевской премии 1904 г. за открытие аргона

В 1880 г. французские учёные братья П. Кюри и Ж. Кюри сделали открытие, которое оказалось очень важным для акустики. Они обнаружили, что, при оказании давления на кристаллы турмалина, кварца, сахара или сегнетовой соли, генерируется электрический заряд. И наоборот, если к граням кристалла приложить переменное электрическое напряжение, то он начнёт колебаться, сжимаясь и разжимаясь. Это явление было названо пьезоэлектричеством

В том же 1880 г. в журнале Scientific American вышла статья о новом звукоприемнике – топофоне профессора Майера. Прибор состоял из коромысла, опирающегося на плечи носителя, на котором были установлены конусные концентраторы звукового давления. Акустические сигналы по полым трубкам поступали прямо в уши профессора. с помощью топофона можно было на больших расстояниях обнаруживать объекты, излучающие звук, например пароход в плохую погоду. Топофоны получили широкое применение во время Первой мировой войны.

Благодаря трудам А. Пуанкаре и А. М. Ляпунова в 1880–1896 гг. была разработана качественная теория обыкновенных дифференциальных уравнений.

В тех же годах немецкий психолог и музыкальный теоретик К. Штумпф изучает психологические проблемы восприятия звуковых тонов и связанные с этими проблемами вопросы теории музыки. В 1883–1890 гг. он издает двухтомный труд «Психология тонов», в котором предлагает ввести для многомерного описания тембра различные субъективные оценки (полнота, яркость, острота и др.).

В 1898 г. в Лейпциге с печати вышла работа швейцарского ученого-акустика А. Жанкьера «Основы музыкальной акустики». Принято считать, что благодаря ей и был введен в науку термин «Музыкальная акустика».

В 1891 г. немецкий музыковед и создатель функциональной теории лада Г. Риман опубликовал труд «Акустика с точки зрения музыкальной науки».

Основное внимание в работе уделяется физико-математическому описанию звуковых отношений. Рассматриваются вопросы о локализации звука, тембре, комбинационных тонах; о созвучности, тональности, консонансе и диссонансе. В приложении представлена общая таблица важнейших звуковых определений.

В 1894 г. английский ученый Р. Фруд впервые обнаружил явление кавитации – образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных паром.

В 1895 г. было положено начало современной науки об архитектурной акустике американским ученым У. Сэбином, когда ректор Гарвардского университета предложил ему выявить акусти­ческие помехи в лекционном зале недавно построен­ного Гарвардского Музея искусств. В результате экспериментов Сэбин уточнил понятие реверберации и количественно выявил связи между геометрическими параметрами помещений и их акустическими характеристиками. Он предположил, что степень ослабления реверберации должна быть пропорциональна степени поглощения звука (в честь него единица поглощения была названа Сэбин).

Уоллес Клемент Сэбин

В 1901 г. немецкий изобретатель Э. Румер запатентовал аппарат, предназначенный для фотографической записи звука.

А тремя годами раньше – в 1898 г. датский физик В. Паульсен впервые осуществил магнитную запись звука на стальную проволоку. Принцип Паульсена практически без изменений был положен в основу звукозаписывающей техники XX-го века.

Вольдемар Паульсен

В 1927 году Ф. Флеймер разработал технологию изготовления магнитной ленты на немагнитной основе. На базе этой разработки в 1935 году немецкие электротехническая фирма "AEG" и химическая фирма "IG Farbenindustri" продемонстрировали на Германской радиовыставке магнитную ленту на пластмассовой основе, покрытой железным порошком.

Применение авиации в период Первой мировой войны стимулировало создание акустических устройств по обнаружению воздушного вторжения – разрабатывались пассивные локаторы, рассвет которых пришёлся на послевоенные 20–30-е годы.

Звукоулавливающая установка ПВО. Россия, октябрь 1941 года.

Акустические локаторы времен Первой мировой войны

В Великобратании были разработаны и построены самые большие пеленгаторы в мире – параболические бетонные зеркала.

Идея усиления звука при помощи бетонного зеркала принадлежала доктору Такеру, работавшему в экспериментальном отделе противовоздушной обороны ВВС Великобритании.

Параболические бетонные локаторы, Великобритания

3. III -й период истории развития акустики

III-й период в истории акустики начинается с 20-х годов XX в.

К этому времени полностью сформировалась механика и акустика сплошной среды. Создана математическая теория волнового движения, основанная на дифференциальных уравнениях в частных производных.

Было решено множество прикладных задач, таких как резонансные колебания пластин, задачи распространения, отражения, интерференции и дифракции волн.

Дальнейший прогресс в области акустики теснейшим образом был связан с успехами радиофизики, последовавшими после изобретения электронной лампы, благодаря чему в течение следующих лет все методы экспериментальной акустики были полностью обновлены.

Генерация, прием и запись звука, а также все акустические измерения стали проводиться исключительно электрическими методами. Возникло новое направление физики – учение об электроакустических преобразователях.

В 1919–1920 гг. русский изобретатель Л. С. Термен разрабатывает совершенно новый музыкальный (электромузыкальный) инструмент, названный впоследствии « Терменвокс » .

Терменвокс представлял собой генератор звуковых колебаний, состоящий из двух высокочастотных генераторов электромагнитных колебаний. Внешне он выглядел как коробка с двумя антеннами. Проводя рукой в электромагнитном поле, рядом с вертикальной антенной, музыкант изменял емкость колебательного контура, благодаря чему в широких пределах изменялась частота звуковых колебаний. При манипуляциях рядом с подковообразной горизонтальной антенной – изменялась громкость звука.

Развиваются исследования по физиологии слуха, что было обусловлено потребностями развивающейся аудиотехники.

Так, Г. Флетчер и его группа в лаборатории Bell Labs (США) впервые определили пороги чувствительности слуха в зависимости от частоты тона, определили болевой порог слуха и установили дифференциальные пороги по частоте и интенсивности.

Г. Флетчер

(1884–1981)

Громкость для кривых равной громкости обозначена в фонах. На различных участках диапазона частот одной и той же громкости соответствует различное звуковое давление (уровень громкости) в децибелах. Различие в звуковом давлении особенно выражено при малых громкостях.

В 1956 году два американских инженера Д. Робинсон и Р. Дадсон для определения кривых равной громкости ( КРГ ) использовали два громкоговорителя, что больше соответствовало реальной жизни, когда человек находится в открытом пространстве звукового поля.

Семейство КРГ получилось несколько иным, чем у Флетчера, который пользовался наушниками. Новые эксперименты показали, например, меньшую чувствительность уха к низким частотам и позволили построить иной график порога слышимости. Эти кривые служили международным стандартом до 2003 года.

Однако выполненные на самом современном техническом уровне аудиометрические измерения в Англии, Германии, Дании, США, Японии показали, что кривые Флетчера ближе к истине, и на их основе разработан действующий стандарт ISO 226:2003.

В этот же период была установлена количественная связь изменений физических параметров и вызываемых ими ощущений (закон Вебера–Фехнера).

Группа под руководством Флетчера успешно продемонстрировала в 1934 г. стереофонический звук. Были начаты эксперименты по изучению эффектов локализации в стереофонии.

В 1936 г. советский физик С. Н. Ржевкин издает монографию « Слух и речь », в которой впервые в отечественной литературе достаточно полно излагались сведения по акустике певческого голоса и вопросам теории его образования.

В 40-х годах английские ученые Т. Адереен, Б. Винтере и Ш. Богге впервые начали исследовать чувствительность бактерий и их фагов к звуку и вибрации. Так было положено начало изучению особенностей действия звука и вибраци й на биологические объекты.

В связи с потребностями военной техники развитие физической акустики получает мощнейший импульс. 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 потребовали более глубокого изучения механизмов образования и поглощения звука, распространения звуковых (в том числе инфразвуковых и ультразвуковых) волн в сложных условиях.

Английский математик М. Лайтхилл в 1952 г. дал общую теорию аэродинамической генерации звука, возникающего в движущейся среде за счёт неустойчивости потока газа.

Первые успехи в гидроакустике были достигнуты французским физиком П. Ланжевеном еще в 1916 г., применившим ультразвуковые волны для измерения глубины моря и обнаружения подводных лодок в разработанном эхолоте.

Недостатком эхолота является то, что направленная волна ультразвука не идёт точно по одной линии, а образует в пространстве как бы конус. Поэтому чем глубже море, тем от большей площадки на дне отражается ультразвук. Неровности дна, находящиеся в пределах этой площадки, эхолот «не замечает». Другой недостаток эхолота состоит в том, что пользоваться им можно только при отсутствии сильной качки. Если судно сильно качает, то ультразвуковая волна эхолота будет направлена то прямо на дно, то влево.

Отражение ультразвуковой волны от дна на разных глубинах

http://vetrenno.info/morskoe_dno/24

Проблемам звукопоглощения, ко тор ые 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 акустических шумов и методам их устранения.

Изучение влияния структуры среды на распространение звука создало возможность применения звуковых волн для зондирования среды, в частности атмосферы, что привело к развитию атмосферной акустики.

В 1934 г. физиками Г. Френцелем и Г. Шультесом из Кёльна было открыто слабое свечение жидкости, возникающее под действием акустических колебаний. Открытое явление назвали сонолюминисценцией. В дальнейшем чрезвычайно большое значение приобрели исследования ультразвука при больших интенсивностях.

В 1927 г. советский физик С. Я. Соколов сделал фундаментальное открытие: установил способность ультразвуковых волн распространяться в металлах на большие расстояния. На этой основе ученый первым в мире предложил новый метод контроля качества изделий без их разрушения – метод ультразвуковой дефектоскопии.

Важное значение приобрели исследования гиперзвуковых колебаний (частоты от 10 9 до 10 12 –10 13 Гц), источником которых является тепловое колебание атомов или ионов, составляющих кристаллическую решетку твердого тела (пленочные пьезоэлектрические преобразователи, кристаллы, помещенные в объемный резонатор с электромагнитным колебанием сверхвысоких частот). Были проведены работы по исследованию взаимодействия гиперзвуковых волн с электронами в металлах и полупроводниках.

Бурное развитие средств вычислительной техники, мобильных устройств и появление аудио-процессоров привело к разработке алгоритмов сжатия аудио-сигналов, основанных на различных моделях слухового восприятия. Эти вопросы акустики вошли в круг проблем общей теории информации и связи.

Источники

• Воронкин А.С. Линейные колебания и волны: Введение в акустику : уч. пособ. А. С. Воронкин. – Луганск : СПД Рєзніков В.С., 2012. – 224 с.
• Алдошина И. Музыкальная акустика : учебник для ВУЗов / И. Алдошина, Р. Приттс. – СПб. : Изд-во « Композитор » , 2006. – 720 с.
• Александрова В. Томас Юнг / В. Александрова // Научно-популярный физико-математический журнал «Квант», 1973. – №9. – С. 9–11.
• Андреев Н. Н. Архитектурная акустика в СССР / Я. Я. Андреев, В. С. Григорьев, И. Г. Лейзер и др. // Успехи физических наук. – 1949. – Т. 37, вып. 3. – С. 269–315.
• Бархатов В. А. В те далекие времена, когда еще не было ультразвуковых дефектоскопов… [Электронный ресурс] / В. А. Бархатов. – С. 1–26. – Режим доступа : http://fpribor.ru/uploadedFiles/files/Far_Time_Away.pdf.
• Белявский А. Г. Теория звука в приложении к музыке. Основы физической и музыкальной акустики / А. Г. Белявский. – М. : Госиздат, 1925. – 249 c .
• Вайскопф В. Наука и удивительное. Как человек понимает природу / Виктор Вайскопф. – М. : Наука, 1965. – 228 с.

• Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках / С. Г. Гиндикин. – 3-е изд. – М. : МЦНМО, 2001. – 448 с.
• Жмудь Л. Я. Пифагор и его школа / Л. Я. Жмудь. – Л. : Наука, 1990. – 193 с. – (Серия «Из истории мировой культуры»).
• Красильников В. А. Введение в акустику / В. А. Красильников. – М. : МГУ, 1992. – 152 с.
• Лебединский А. В. Гельмгольц / А. В. Лебединский, У. И. Франкфурт, А. М. Френк. – М. : Наука, 1966. – 320 с.
• Липсон Г. Великие эксперименты в физике / Г. Липсон ; под ред. В. И. Рыдника. – М. : Мир, 1972. – 215 с.
• Лукреций. О природе вещей / Тит Лукреций Кар; [пер. с латинского Ф. Петровского]. – М. : Художественная литература, 1983. – 383 с.
• Мах Э. Популярные лекции по физике / Э. Мах. – Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. – 128 с.

• Мелешко В. В. Изгибные колебания упругих прямоугольных пластин со свободными краями: от Хладни (1809) и Ритца (1909) до наших дней / В. В. Мелешко, С. О. Папков // Акустичний вісник. – 2009. – Т. 12, № 4. – С. 34–51.
• Плужников М. Среди запахов и звуков / М. Плужников, С. Рязанцев. – М. : Молодая гвардия, 1991. – 270 с.
• Ржевкин С. Н. Успехи советской акустики / С. Н. Ржевкин // Успехи физических наук. – 1948. – Т. 34, вып. 1. – С. 1–12.
• Романов С. Н. Биологическое действие вибрации и звука : Парадоксы и проблемы XX века / С. Н. Романов. – Л. : Наука, 1991. – 158 с.
• Спасский Б. И. История физики : в 2 т. / Б. И. Спасский. – 2-е изд. – М. : Высшая школа, 1977. – Т. 1. – 320 с.
• Чедд Г. Звук / Г. Чедд ; [пер. с англ. Г. И. Кузнецова]. – М. : Мир, 1975. – 206 с.
• Шредер М. Р. Модели слуха [Электронный ресурс] / М. Р. Шредер // Proceedings of the IEEE . – Vol . 63. – № 9, 1975. – P .1332 – 1350. – Режим доступа : http://www.shabad.ru/nfb/shroeder_rus.pdf.
• Интернет-ресурсы