Аку́стика (от (аку́о) — слышу) — в узком смысле слова — учение о звуке, то есть о волнах плотности в газах, жидкостях и в твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (диапазон от до ), а в широком смысле — область физики, изучающая свойства упругих колебаний и волн от низких частот (условно от ) до предельно высоких частот , их взаимодействия с веществом и применение полученных знаний для решения широкого круга инженерных проблем. Термином «акустика» сейчас также часто характеризуют систему звуковоспроизводящей аппаратуры.
Знание закономерностей генерации акустических волн, их распространения в разных средах имеют значение практически во всех областях человеческой деятельности. Для общей характеристики роли акустики в современном мире очень удачным является созданное учёным-акустиком Робертом Линдси (Robert Bruce Lindsay) графическое изображение, известное как «колесо акустики Линдси». В нём выделены четыре области человеческой активности, в которых акустические знания имеют важное значение: науки о жизни, науки о Земле, искусство, техника. Центральное место в этой диаграмме занимают основополагающие исследования в акустике, которые объединены общим названием — физическая акустика.
История Содержательный анализ истории формирования акустики как научной дисциплины представлены во многих работах разных авторов. Относительно короткое описание истории становления акустики представлено в работе акустика Р. Б. ЛиндсиR. Bruce Lindsey The Story of Acoustics. // The Journal of the Acoustical Society of America, vol.39, issue 4, 1966, p.629-644.. Формирование акустики как важного раздела современной физики началось задолго до начала письменной истории. Понимание того, что звук возникает при биении предмета о предмет и колебаниях различных тел, является одним из древнейших элементов в формировании научной картины мира. Важным этапом в развитии акустики было возникновение музыки. Некоторые археологические находки указывают на изготовление человеком флейты из кости с боковыми отверстиями около сорока тысяч лет назад. Считают, что первые научные исследования природы музыкальных звуков были проведены греческим философом Пифагором в VI веке до нашей эры. Его исследования связаны с изучением звуков, возникающих при колебании струн. Им была установлена зависимость между длиной струны и высотой тона. В школе Пифагора были определены количественные соотношения между частотами приятных для слуха звуков, которые были внесены в общие философские схемы гармонии в мире. Важные наблюдения относительно источников музыкальных звуков зафиксированы в Китае. Почти за две тысячи лет до нашей эры здесь была изготовлена система источников звука, которая отвечала за разделение октавы на двенадцать интерваловD. R. Raichel The Science and Applications of Acoustics. — Springer, 2006, 660 p. — ISBN 0-387-30089-9. Первые акустические рекомендации при строительстве жилья содержались в Ветхом Завете.
Исследование особенностей восприятия музыки слушателями подтолкнуло поиск ответов на определённые вопросы, касающиеся физики звука. Так, Аристотель высказал достаточно чёткое утверждение относительно процесса распространения звука как передачи состояния сжатия-растяжения от одной частицы воздуха к другой. Ему принадлежат также содержательные соображения относительно природы человеческого голосаЛосев А. Ф. История античной эстетики. Т.4. Аристотель и поздняя классика. — М.: Искусство, 1975. — 672 с.. Однако он же высказывал ошибочное утверждение о том, что высокочастотные звуки распространяются быстрее, чем низкочастотные.
Начало нашей эры характеризуется новым пониманием таких акустических явлений, как интерференция, отражение звука, эхо. На основе знания об этих явлениях формировались рекомендации для строительства античных театров, относительно акустических свойств которых сейчас распространено много легенд. В наше время выполнен детальный анализ акустических свойств раскопанного археологами в 1881 г. театра в Эпидавре, вмещавшего до . Исследования показали, что архитектура театра формировала определённый акустический фильтр, который препятствовал распространению низкочастотных составляющих звука (основные компоненты постороннего шума) и способствовал распространению высокочастотных составляющих. Сейчас среди акустиков высказывается мнение, что такая акустическая модель была случайной и, следовательно, повторялась при сооружении других театров. Научная основа архитектурной акустики была создана только в начале двадцатого века.
Оценка роли пифагорейцев в разных источниках различается и порой базируется на мифах, а не реальных свидетельствах. Формирование современных представлений об особенностях колебательных процессов началось в работах Галилея. Им выполнен значительный объём исследований по определению связи между физическими и геометрическими параметрами струн и характеристиками звуков, возникающих в случае их колебания. Им обнаружено явление изохронизма (независимости периода колебаний маятника от амплитуды колебаний), хотя он ошибочно считал, что это явление имеет место при любых значениях амплитуд. Он также обнаружил явление резонанса. Конец шестнадцатого и начало семнадцатого столетия знаменует период значительного интереса к вопросам колебания струн. Кроме Галилея, исследования проводились и другими исследователями, которые иногда своими публикациями опережали его. Существенные достижения в определении связи между частотой и высотой тона были получены французским учёным Ж. Совёром. Он ввёл в 1701 г. термин акустикаХрамов Ю. А. Савер Жозеф (Sauver Joseph) // Физики. Биографический справочник. Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — 400 с.. Также он использовал термины узловые точки и гармонические тона.
Как и в отношении других разделов физики, можно сказать, что с обнародованием ньютоновских «Начал» началась новая эра в развитии акустики. Исследования проводились на основе новых методологических основ по поиску научных результатов и их объяснения.
Большое значение для дальнейшего развития математических методов исследований в акустике имел спор о струне, в котором приняли участие Д. Бернулли, Д’Аламбер, Леонард Эйлер и Лагранж. Предметом дискуссии были два решения волнового уравнения для струны — решение Д’Аламбера в виде бегущих волн и решение Бернулли в виде суперпозиции стоячих волн. Эйлер отрицал возможность представить любую функцию в виде ряда тригонометрических функций. Дискуссия частично была связана с тем, что её участники в то время не знали техники вычисления коэффициентов разложения тригонометрических рядовЮшкевич А. П. История математики в 3-х томах. Том 3. Математика XVIII столетия. — М.: Наука, 1972. — С. 314—315.. Обоснование решения Бернулли было получено лишь Фурье. Дискуссия сыграла значительную роль в развитии методов решения не только задач акустики, но и математической физики в целом.
Определённым итогом развития акустики в XVIII веке можно считать появление первой монографии по акустикеChladni E. Die Akustik . Leipzig 1802, französische Übersetzung: Traite d’ acoustique, Paris 1809 und in: Neue Beiträge zur Akustik, Leipzig 1817., автором которой был выдающийся экспериментатор Э. Хладни. Первое издание этой книги вышло в 1802 году. Многие из представленных в ней наблюдений нашли научное объяснение значительно позже. Сама книга выглядит несколько специфично. В ней нет ни одной формулы, без которых в дальнейшем в акустике уже невозможно обойтись. Использование математического моделирования на основе точно определённых физических понятий стало мощным средством получения новых знаний в акустике благодаря трудам Эйлера, Лагранжа, Д’Аламбера и Д. Бернулли. Итогом процесса стало более быстрое развитие акустических исследований в XIX веке и вышедшее в печать (1877—1878 гг.) двухтомное издание «Теория звука» лорда Рэлея (существует в русском переводе), которое стало важным источником для изучения акустики.
Активная исследовательская деятельность многих учёных в XIX и XX веках сформировала современную акустику как науку, охватывающую широкий спектр явлений, связанных с созданием, распространением волн и взаимодействием их со средой. Акустика разделилась на отдельные научные и инженерные дисциплины. Исторические исследования тоже стали сосредотачиваться на отдельных дисциплинах. Подробный исторический анализ часто порождает издания большого объёма. Так, анализ истории развития российской гидроакустикиO. F. Godin, D. R. Palmer History of Russian Underwater Acoustics. World Scientific, 2008. — 1247 p. — ISBN 981-256-825-5 занял более тысячи страниц. Краткий анализ исторических фактов в развитии современной акустики по разным направлениям содержится в акустической энциклопедииTomas D. Rossing (ed.) Springer Handbook of Acoustics. — Springer, 2007. — 1182 p. ISBN 0-387-30425-0.
Определение скорости звука Представление о конечной величине скорости звука на основе наблюдения за явлением эха и задержки появления звука после выстрела из пушки сформировалось достаточно давно. История определения величины скорости звука в воздухе оказалась достаточно длинной. Относительно того, кто был пионером в измерении скорости звука, в литературе есть определённые разногласия. Называются фамилии Гассенди и Мерсенна. Оба исследователя анализировали выстрел пушки, фиксируя интервал времени после набата во время выстрела и время прихода звука. По данным Гассенди скорость составляла . Морен получил несколько более точную оценку — . Сравнение наблюдений за выстрелами пушки и ружья давали возможность Гассенди сделать вывод о независимости скорости звука от частоты. Серия тщательно организованных опытов по измерению скорости звука была проведена во Флорентийской академии опыта (Академия дель Чименто) до 1660 года. Измеренная по звуку от пушки на расстоянии в одну милю скорость звука оказалась равной (1 метр равен 3,07843 парижских футов). Полученная оценка скорости 350 м/c оставалась эталоном для экспериментаторов больше векаFinn B.S. Laplace and the Speed of Sound //ISIS, vol.55, No 1, 1964, pp. 7-19.. Такие измерения не учитывали изменение состояния атмосферы (температуру, давление, влажность, скорость ветра). Изучение влияния этих факторов началось лишь в XIX веке.
Исследования скорости звука в воздухе начали интенсивно развиваться после того, как И. Ньютон в своих «Началах» (1687 г.) привёл теоретически полученное значение этой величины. Этим были стимулированы многие новые эксперименты. Интрига заключалась в том, что приведённая Ньютоном величина была меньше экспериментальных данных на 20 %. В последующих изданиях своих «Начал» Ньютон конструировал сложные модели воздуха, безуспешно пытаясь устранить разницу теоретического и экспериментального значения. Оценивая ситуацию, Лагранж пессимистично заметил, что верное определение скорости звука не под силу современной ему науке. После нескольких попыток получить корректную оценку скорости звука свою неудачу в 1759 году признал и Л. Эйлер. Много сопутствующих деталей относительно истории определения скорости звука приведены в статье-исследовании Б.Финна. В заголовок статьи вынесено имя Лапласа, который в 1827 году выяснил причину расхождения и установил корректное теоретическое значение скорости звука в воздухе. Причина заключалась в том, что Ньютон считал процесс распространения звука изотермическим (температура частиц воздуха остаётся неизменной при распространении звуковой волны). Однако в действительности это не так. По подсчётамИсакович М. А. Общая акустика. — М.: Наука, 1973. — 496 с., для звуков, возникающих при разговоре, изменение температуры воздуха в звуковой волне составляет миллионную долю градуса Цельсия. Но именно такие изменения обусловливают указанное выше расхождение между значениями скорости звука. Дальнейшие этапы оценки скорости звука можно найти в работе В. МеркуловаМеркулов В. В мире звуков. Как добывается истина // Наука и жизнь, 2007, № 5, С.104-107..
Основные математические модели акустики