Акустика - Acoustics


Из Википедии, свободной энциклопедии
Искусственный всенаправленный источник звука в безэховой камере

Акустический является филиалом физики , которая занимается изучением всех механических колебаний в газах, жидкостях и твердые телах , включая темы , такие как вибрации , звук , ультразвук и инфразвук . Ученый, работающий в области акустики является акустик в то время как кто - то работает в области технологии акустики можно назвать акустическим инженером . Применение акустики присутствует практически во всех аспектах современного общества с наиболее очевидными являются аудио и контроля шума промышленности.

Слух является одним из наиболее важных средств выживания в животном мире, и слово является одним из наиболее отличительных особенностей развития и культуры человека. Таким образом , наука о акустике распространяющийся во многих аспектах человеческого общества-музыки, медицины, архитектуры, промышленного производства, войн и многое другое. Подобный же образом, виды животных , такие как певчие птицы и лягушки использовать звуковые и слух в качестве одного из ключевых элементов сопрягаемых ритуалов или маркировки территории. Искусство, ремесло, наука и технологии вызвали друг друга , чтобы продвигать целое, как и во многих других областях знаний. Роберт Брюс Линдсей «s„Колесо Acoustics“является общепринятым обзор различных полей в акустике.

Слово «акустический» происходит от Греческое слово ἀκουστικός ( akoustikos ), смысл «или слуха, готов услышать» и что из ἀκουστός ( akoustos ), «слышал, слышимый», который в свою очередь происходит от глагола ἀκούω ( akouo ), "Я слышу".

Латинский синоним «звуковой», после чего термина Sonics раньше синоним акустики , а затем отделение акустики. Частоты выше и ниже слышимого диапазона называются « ультразвуковым » и « инфразвуковой », соответственно.

история

Первые исследования в акустике

Фундаментальные и первые 6 обертоны из вибрирующей струны. Первые упоминания о изучении этого явления объясняется философом Пифагор в 6 веке до н.э..

В 6 веке до н.э., то древнегреческий философ Пифагор хотел понять , почему некоторые сочетания музыкальных звуков , казалось более красивыми , чем другие, и он нашел ответы в терминах числовых коэффициентов , представляющих гармонический ряд обертонов на строке. Он слывет заметил , что , когда длина вибрирующих струн записываются в виде отношений целых чисел (например , от 2 до 3, от 3 до 4), тона производимых будет гармоничными, и тем меньше целое более гармоничные звуки. Если, например, строка определенной длины будет звучать особенно гармоничным с последовательностью удвоенной длины ( при прочих равных условиях ). В современном языке, если струна звучит ноту C , когда щипковые, струнная дважды , как долго будет звучать C октаву ниже. В одном из системы музыкальной настройки , тоны между ними, затем дается 16: 9 для D, 8: 5 для Е, 3: 2 по F, 4: 3 г, 6: 5 для, и для 16:15 в, в порядке возрастания.

Аристотель (384-322 до н.э.) понял , что звук состоял из сжатий и разрежений воздуха , который «падает на и попадает на воздух , который находится рядом с ней ...», очень хорошее выражение природы волнового движения.

Около 20 г. до н.э., римский архитектор и инженер Витрувий написал трактат на акустических свойствах театров в том числе обсуждения вмешательство, эхо и реверберации-истоков архитектурной акустике . В книге V от его Де Architectura ( Десять книг архитектуры ) Витрувия описывают звучание как волны , сравнимые с водной волной продлена до трех размеров, которые, когда прерываются преградами, потекут обратно и разбивают следующую волну. Он описаны восходящие места в древних театрах , направленные на предотвращение этого ухудшения звука , а также рекомендуются бронзовые сосуды соответствующего размера размещены в театрах , чтобы резонировать с четвёртым, пятыми и т.д., вплоть до двойной октавы, чтобы резонировать с более желательно, гармоничные ноты.

В исламских золотых возраста , Abū Райхан аль-Бируни (973-1048) Считаются , что предположил , что скорость звука была гораздо медленнее , чем скорость света.

Основы акустики были применены с древних времен: А римский театр в городе Амман .

Физическое понимание акустических процессов быстро продвигалось во время и после научной революции . В основном Галилео Галилей (1564-1642) , но и Мерсенны (1588-1648) независимо обнаружили полные законы вибрирующих струн (завершение , что Пифагор и пифагорейцы начала 2000 лет назад). Галилей написал «Волны продуцируются колебаниями в звонким теле, которые распространяются через воздух, в результате чего в тимпан уха раздражителя , который ум интерпретирует как звук», замечательное утверждение , что указует на истоки физиологической и психологической акустика , Экспериментальные измерения скорости звука в воздухе были успешно проведены между 1630 и 1680 с помощью ряда исследователей, заметно Мерсенном. В то же время, Ньютон (1642-1727) вывел зависимость для скорости волны в твердых телах, краеугольным камнем физической акустике ( Начала , 1687).

Век Просвещения и вперед

Восемнадцатый век значительного прогресса в акустике математики применены новые методы исчисления разработать теорию распространения звуковых волн. В девятнадцатом веке главные фигуры математической акустики были Гельмгольц в Германии, которые закрепили сферу физиологической акустики, и лорд Рэлей в Англии, который объединил предыдущее знание своим обильного вклада в места в своем монументальном труде Теории звука (1877). Кроме того, в 19 - м веке, Уитстона, Ом, и Генри разработал аналогия между электричеством и акустикой.

Двадцатый век видел расцвет технологического применения большого объема научных знаний , которая к тому на месте. Первая такая заявка была Сабина инновационной работы «s в архитектурной акустике, и многие другие следовали. Подводная акустика использовалась для регистрации субмарины в первой мировой войне. Звукозапись и телефон играют важную роль в глобальной трансформации общества. Звуковое измерение и анализ достигли новых уровней точности и сложности за счет использования электроники и компьютеров. Диапазон частот ультразвукового позволили совершенно новые виды применения в медицине и промышленности. Новые виды преобразователей (генераторы и приемники акустической энергии) были изобретены и введены в эксплуатации.

Основные понятия акустики

В Джея Прицкеровскую павильоне , A LARES система в сочетании с зональной системой звукоусиления , и подвешена на подвесной стальной решетке, чтобы синтезировать закрытую акустическую среду вне помещения.

Определение

Акустический определяются ANSI / ASA S1.1-2013 как «(а) наука звука , в том числе ее производство, передачи и эффекты, в том числе биологических и психологических эффектов. (Б) те качества комнат , которые вместе определяют его характер в отношении звуковых эффектов «.

Исследование акустики вращается вокруг производства, распространения и приема механических волн и вибраций.

Фундаментальный акустический Процесс

Шаги , показанные на диаграмме выше , можно найти в любом случае акустическую или процесс. Есть много видов Делу, как естественных , так и волевых. Есть много видов процесса трансдукции , которые преобразуют энергию из другой формы в звуковую энергию, производя звуковую волну. Существует одна фундаментальная уравнение, описывающее звучать распространения волн, то уравнение акустической волны , но явления , которые возникают из него многообразны и часто сложны. Волна переносит энергию по всей распространяющейся среде. В конечном счете эта энергия трансдуцированная снова в другие формы, таким образом, снова могут быть физические и / или волюнтаристски неестественно. Конечный эффект может быть чище физическим или она может достигать глубоко в биологические или волевые домены. Эти пять основных этапов встречаются одинаково хорошо , идет ли речь о землетрясении , подводной лодки с использованием гидролокатора , чтобы найти его противника, или группа играет в рок - концерт.

Центральное этап в слуховом процессе распространение волн. Это входит в домене физической акустики. В флюидах , звук распространяется преимущественно как волны давления . В твердых телах, механические волны могут принимать множество форм , включая продольные волны , поперечные волны и поверхностные волны .

Акустика смотрит сначала на уровне давления и частоты в звуковой волне , и как волна взаимодействует с окружающей средой. Это взаимодействие может быть описано либо как дифракции , интерференции или отражения или смесь из трех. Если несколько медиа являются присутствуют, преломление может также произойти. Трансдукции процессы также особой важности для акустики.

Распространение волн: уровень давления

Спектрограммы молодой девушки говоря : «О, нет»

В флюидах , такие как воздух и вода, звуковые волны распространяются в качестве возмущений в уровне давления окружающей среды. В то время как это нарушение обычно невелика, она все еще заметен для человеческого уха. Самый маленький звук , который может услышать человек, известный как порог слышимости , девять порядков меньше , чем давление окружающей среды. Громкость этих нарушений связана с уровнем звукового давления (SPL) , которая измеряется по логарифмической шкале в децибелах.

распространения волны: частота

Физики и акустические инженеры склонны обсуждать уровни звукового давления в плане частот, отчасти потому , что это, как наши уши интерпретируют звук. Что мы воспринимаем как «высший стан» или «нижний стан» Звуки вибрации давления , имеющая большее или меньшее количество циклов в секунду. В общем технике акустического измерения, акустические сигналы оцифровываются во время, а затем представлены в более содержательных формах , такие как октавные полосы или частотно - временных участки. Оба этих популярных методы используются для анализа звука и лучше понять акустическое явление.

Весь спектр может быть разделен на три секции: аудио, ультразвуковой и инфразвуковое. Диапазон звуковых частот находится между 20 Гц и 20000 Гц. Этот диапазон имеет важное значение , потому что его частоты могут быть обнаружены человеческим ухом. Этот диапазон имеет ряд приложений, в том числе речевой коммуникации и музыки. Ультразвуковой диапазон относится к очень высоким частотам: 20000 Гц и выше. Этот диапазон имеет более короткие волны , которые позволяют более высокое разрешение в технологии визуализации. Медицинская приложения , такие как ультразвуковое исследование и эластография опираться на ультразвуковом диапазоне частот. На другом конце спектра, самые низкие частоты , как известно , в качестве инфразвукового диапазона. Эти частоты могут быть использованы для изучения геологических явлений , таких как землетрясения.

Аналитические приборы , такие как спектроанализатор облегчают визуализацию и измерение акустических сигналов и их свойств. Спектрограмма производства такого прибора представляет собой графическое отображение изменяющейся во времени уровня давления и частотные профили , которые дать конкретный акустический сигнал , определяющий его характер.

Трансдукция в акустике

Недорог низко точность 3,5 дюймов Водитель , как правило , находятся в небольших радиоприемниках

Датчика представляет собой устройство для преобразования одной формы энергии в другую. В электроакустического контексте это означает преобразование звуковой энергии в электрическую энергию (или наоборот). Электроакустические преобразователи включают громкоговорители , микрофоны , гидрофоны и эхолот проекторы. Эти устройства преобразование волны звукового давления или от электрического сигнала. Наиболее широко используемые принципы трансдукции являются электромагнетизм , электростатика и пьезоэлектричество .

Датчики в наиболее распространенных громкоговорителях (например , вуфер и Твитеры ), являются электромагнитными устройствами , которые генерируют волны с использованием подвесной диафрагмы , приводимой электромагнитнымом звуковой катушкой , отправкой волны давления. Электретные микрофоны и конденсаторные микрофоны используют электростатики-как звуковая волна ударяет диафрагму микрофона, она двигается и вызывает изменение напряжения. Ультразвуковые системы , используемые в медицинском ультразвуковом используют пьезоэлектрические преобразователи. Они изготовлены из специальной керамики , в которой механические вибрации и электрические поля взаимосвязанной через свойство самого материала.

акустик

Акустик является экспертом в науке о звуке.

образование

Есть много типов акустики, но они обычно имеют степень бакалавра или более высокую квалификацию. Некоторые обладают определенными в акустике, в то время как другие введите дисциплину с помощью исследований в таких областях, как физика или инженерия . Многое в акустике требует хорошей подготовки в математике и науке . Многие акустические ученые работают в области исследований и разработок. Некоторое проведение фундаментальные исследований для продвижения нашего знания восприятия (например , слух , Психоакустики или нейрофизиологии ) из речи , музыки и шума . Другие акустические ученые заранее понимание того , как звук влияет , как она двигается по окружающей среде, например , гидроакустика , архитектуры акустика или Структурный акустик . Другие направления работы, перечислены в поддисциплинах ниже. Акустический ученые работают в правительстве, университетских и частных промышленных лабораторий. Многие ездят на работу в Акустический Engineering . Некоторые позиции, такие как факультет (преподаватели) требовать доктора философии .

Поддисциплин

Эти поддисциплин являются незначительно модифицированный список из PACS ( физики и астрономии Classification Scheme ) кодирования , используемый Американского акустического общества .

Archaeoacoustics

Archaeoacoustics является изучением звука в археологии. Это , как правило , включает в себя изучение акустика археологических памятников и артефактов.

Aeroacoustics

Aeroacoustics является изучение шума , создаваемого движением воздуха, например с помощью турбулентностью, и движение звука через воздух флюида. Это знание применяется в акустической инженерии , чтобы изучить , как утихомирить самолеты . Aeroacoustics важен для понимания того, как ветер музыкальных инструментов работы.

Обработка Акустический сигнал

Акустические обработки сигналов являются электронным манипулированием акустических сигналов. Приложения включают в себя: активный контроль шума ; дизайн для слуховых аппаратов или кохлеарные имплантаты ; эхоподавление ; поиск информации о музыке , и перцептивное кодирование (например , MP3 или Opus ).

Архитектурные акустики

Симфонический Зал Бостон, где началась зрительная акустика

Архитектурная акустика (также известный как здание акустике) включает в себя научные знания о том, как добиться хорошего звука внутри здания. Это, как правило, включает в себя изучение речевой разборчивости, речевой конфиденциальности, качество музыки, и снижение вибрации в искусственной среде.

биоакустику

Биоакустику является научным исследованием слуха и вызовов вызовов животных, а также как животные страдают от акустических и звуков их сред обитания.

Электроакустика

Это субдисциплина касается записи, обработки и воспроизведения звука с помощью электроники. Это может включать в себя такие продукты, как мобильные телефоны , крупномасштабными оповещения системы или виртуальной реальности систем в научно - исследовательских лабораториях.

Экологический шум и звуковые

Экологическая акустика обеспокоена шумом и вибрацией, железные, автомобильные перевозки, самолеты, промышленное оборудование и досуг. Основной целью этих исследований является снижение уровня шума окружающей среды и вибрации. Научно - исследовательская работа в настоящее время также сосредоточиться на позитивном использовании звука в городской среде: звуковые и спокойствие .

Музыкальные акустики

Первичная слуховая кора является одним из основных направлений , связанных с превосходным разрешением основного тона.

Музыкальная акустика изучение физики акустических инструментов; обработки аудиосигнала используется в электронной музыке; Компьютерный анализ музыки и композиции, а также восприятия и когнитивной нейробиологии музыки .

Психоакустика

Психоакустика объясняет , как люди реагируют на звуки.

речь

Акустиков изучения производства, переработки и восприятия речи. Распознавание речи и синтеза речи две важные области обработки речи с использованием компьютеров. Субъект также пересекается с дисциплинами физики , физиологии , психологии и лингвистики .

ультраакустика

Ультразвуковое изображение плода в матке, если смотреть в 12 недель беременности (двухразмерный-скан)

Ультразвук дело с Звуки на частотах слишком высокими , чтобы быть услышанным людьми. Специализация включает медицинские ультразвуковые ( в то числе медицинских УЗИ ), сонохимии , материал и характеристик подводной акустики ( эхолот ).

Подводные акустики

Подводная акустика научные исследования естественных и искусственных звуков подводными. Приложения включают в себя сонар для обнаружения подводных лодок , подводная связи китов, мониторинг изменения климата путем измерения температуры морской воды акустический, звукового оружия и морской биоакустики .

Вибрация и динамика

Это исследование того , как механические системы вибрировать и взаимодействовать с окружающей средой. Приложения могут включать: наземные вибрации от железных дорог; изоляция вибрации для уменьшения вибрации в операционных; изучение , как вибрация может повредить здоровью ( вибрационная болезнь ); контроля вибрации , чтобы защитить здание от землетрясений , или определения того, насколько корпусного шума движется через зданий.

профессиональные общества

Научные журналы

Смотрите также

Примечания и ссылки

дальнейшее чтение

внешняя ссылка