Акустика

Из Википедии, свободной энциклопедии

В акустике (от греческого ἀκούειν (произносится «akuein»), слышать «или akoustikós , услышав о») есть наука о звуке и его распространения. В область науки входит большое количество связанных аспектов, таких как происхождение и генерация, распространение, влияние и анализ звука, его восприятие ухом и влияние на людей и животных. Акустика - это междисциплинарная область, основанная на знаниях из множества специализированных областей, включая физику , психологию , технику связи и материаловедение . Акустика также (нечеткая) разделена на три части:

Наиболее важные области применения акустики включают исследование и снижение шума , создание приятного звука или передачу акустической информации, такой как тон . Кроме того, использование звука для диагностики или в технических целях является важным приложением акустики.

история

Введение тональных систем и настроений в музыку в 3-м тысячелетии до нашей эры считается первым систематическим занятием акустикой . В Китае . С западной древности научное исследование акустики было передано, в частности, Пифагором Самосским (около 570-510 гг. До н.э.), который математически проанализировал взаимосвязь между длиной струны и высотой звука в монохорде , некоторые из открытий приписываются он, например, Пифагор в кузнице , но скорее легенда. Хрисипп фон Соли (281–208 до н. Э.) Распознал волновой характер звука, сравнив его с волнами на поверхности воды. Римский архитектор Витрувий (ок. 80-10 гг. До н.э.) проанализировал распространение звука в амфитеатрах и заподозрил распространение звука в виде сферической волны . Он также описал принцип действия резонаторов Гельмгольца для поглощения низкочастотного звука.

Резонатор Гельмгольца из латуни примерно 1900 г.

Леонардо да Винчи (1452–1519), среди прочего, признал, что воздух необходим как среда для распространения звука и что звук распространяется с конечной скоростью. По Мерсеннам (1588-1648), среди других научных выводов о природе звука и первой индикации происходит экспериментально определенную скорость звука . Галилео Галилей (1564–1642) описал взаимосвязь между высотой звука и частотой, которая важна для акустики . Жозеф Совер (1653–1716) ввел термин «акустика» для теории звука. Исаак Ньютон (1643–1727) был первым, кто рассчитал скорость звука на основе теоретических соображений, а Леонард Эйлер (1707–1783) нашел волновое уравнение для звука в той форме, которая используется сегодня. Эрнст Флоренс Фридрих Хладни (1756–1827) считается основоположником современной экспериментальной акустики; он обнаружил хладнианские звуковые фигуры , которые делают видимыми естественные колебания пластин.

В начале 19 века началось интенсивное занятие акустикой, и многие ученые посвятили себя этой теме. Например, Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) обнаружил адиабатическое поведение звука, Георг Симон Ом (1789–1854) постулировал способность слуха разбивать звуки на основные тона и гармоники, а Герман фон Гельмгольц (1821–1854) 1894 г.) исследовал тональную чувствительность, описал резонатор Гельмгольца, а Джон Уильям Струтт, третий барон Рэлей (1842–1919) опубликовал «Теорию звука» с многочисленными математическими открытиями, касающимися звука, его происхождения и распространения.

Во второй половине 19 - го века разрабатываются первые акустические измерения и записывающие устройства, то фоноаутограф по Эдуар-Леоном Скоттом де Martinville (1817-1897) , а позже фонограф по Томас Алва Эдисон (1847 до 1931). Август Кундт (1839–1894) разработал трубку Кундта и использовал ее для измерения степени звукопоглощения .

С начала 20 века широко использовались существующие теоретические знания по акустике. Так была разработана научная акустика помещений , основанная Уоллесом Клементом Сабином , с целью улучшения слышимости помещений. Изобретение электронной лампы в 1907 году позволило широко использовать технологию электроакустической передачи. Поль Ланжевен (1872–1946) использовал ультразвук для технического определения местоположения объектов под водой ( сонар ). Генрих Баркгаузен (1881–1956) изобрел первое устройство для измерения объема . С 1930 года издаются научные журналы, посвященные исключительно акустике.

Одним из наиболее важных применений акустики в первой половине 20 века было снижение шума . Например, глушитель выхлопной системы автомобилей постоянно совершенствовался. С появлением в 1950 году реактивных двигателей и необходимого для успешного использования снижения шума была разработана аэроакустика , которая была по существу основана на работах Майкла Джеймса Лайтхилла (1924–1998).

Подзоны

Глушитель выхлопа на авто

В акустике рассматривается большое количество различных аспектов:

аналитические методы

Частотный анализ

Помимо учета усредненного по времени звукового поля и величин звуковой энергии , часто измеряется отклонение во времени , например B. сигнал давления , и подвергнутый частотному анализу. Чтобы узнать о соотношении частотного спектра, полученного таким образом, и звука, см. Звуковой спектр . Временное изменение звукового события доступно с помощью кратковременного преобразования Фурье . Изменения в спектре во время процесса излучения, распространения и измерения или восприятия звука описываются соответствующей частотной характеристикой . Кривые частотного взвешивания учитывают частотную характеристику слуха .

Резонансный анализ

Анализ акустического резонанса оценивает результирующие резонансные частоты, когда тело приводится в вибрацию импульсным возбуждением, таким как удар . Если тело представляет собой колебательную систему, форма которой характерна для определенного периода характерных частот, тело колеблется в так называемых естественных свойствах или резонансных частотах - коротких резонансах.

Анализ заказа

Для анализа по порядку анализируются шумы или вибрации от вращающихся машин.В отличие от частотного анализа, содержание энергии шума не отображается в зависимости от частоты, а в зависимости от порядка. Порядок соответствует кратной скорости.

Лаборатории

Помещение с низким уровнем отражения (свободное поле) ТУ Дрезден - общий объем 1000 м 3

Комната с низким уровнем отражения

Безэховая комната , иногда неправильно называют «безэховый» номер, имеет материал поглощения на потолке и стенах, так что только минимальные отражения происходят и условие , как в прямом поле D (свободном поле или свободном звуковое поле) преобладают, с звуковым давлением в 1 / r закон расстояния убывает от точечного источника звука. Такие помещения подходят для записи голоса и для локализации источников звука. Если интенсивность звука, проходящего перпендикулярно этой поверхности, измеряется на воображаемой оболочке вокруг источника звука, можно определить мощность звука источника.

Открытый космос

Свободная полевая комната - это особый дизайн безэховой комнаты. Однако и здесь пол покрыт абсорбирующим материалом. Поскольку в результате этой меры по полу больше нельзя ходить, поверх него обычно кладут звукопроницаемую сетку, которая обеспечивает доступ к объекту измерения. Такие помещения используются в технологии акустических измерений, чтобы иметь возможность проводить целенаправленный анализ источников звука - в том числе под объектом измерения.

Комната реверберации

С другой стороны, комната реверберации устроена таким образом, что отражения одинакового размера со всех сторон встречаются в любой точке звукового поля. Таким образом, в идеальном помещении для реверберации звуковое давление одинаково в любом месте, за исключением области непосредственно вокруг источника звука (см. Радиус реверберации ). Такое звуковое поле называется диффузным полем . Поскольку звуковые лучи падают со всех сторон одновременно, в диффузном поле нет интенсивности звука. Чтобы избежать резонансов в комнате реверберации, она обычно строится без параллельных друг другу стен и потолков. Помещение может быть откалиброван с использованием времени реверберации измерения или опорного источника звука . Определяется разница между уровнем звукового давления, измеренным в любом месте комнаты, достаточно далеко за пределами радиуса реверберации, и уровнем звуковой мощности источника звука. Эта разница зависит от частоты и остается неизменной до тех пор, пока не меняются структура комнаты и степень поглощения стен. Таким образом, в реверберационной комнате звуковую мощность источника теоретически можно определить с помощью одного измерения звукового давления. Это, например, Б. очень полезен для вопросов в области звукоизоляции .

Акустика в природе

Акустика в живых существах

У большинства высших животных есть слух . Звук - важный канал связи, поскольку на расстоянии он оказывает практически немедленное воздействие . С помощью вокализации животным дается возможность отмечать свою территорию , искать партнеров или стаи , находить добычу и сообщать настроения, предупреждающие сигналы и т. Д. Диапазон слышимости человека находится между порогом слышимости и болевым порогом (примерно от 0 дБ HL до 110 дБ HL).

Фонология

При генерации звуков в контексте фонетики обычно различают звонкие и глухие фонемы . С помощью звонких фонем, которые называются гласными , «сырые» звуки генерируются в гортани за счет вибрации голосовых связок , которые затем модулируются в глотке и носовой полости различными произвольно влияющими или неизменными индивидуально-специфическими резонансными пространствами. В глухих фонемах согласные и голосовые связки находятся в состоянии покоя, а звук создается за счет модуляции воздушного потока. В шептала , даже гласные образуются только путем модуляции спектра на шум потока с принудительной подачей воздуха, с голосовые связки отдыхают.

Профессиональное обучение

Профессионалов в области акустики называют инженерами-акустиками или инженерами-акустиками. Должности на английском языке: инженер-акустик или акустик. Обычный подход к этой области работы - получение степени по физике или соответствующей степени в области инженерии. Специалисты по акустике слуховых аппаратов работают в области медицинских технологий и используют в своей профессии как физические, так и медицинские знания.

литература

  • Фридрих Замминер: Музыка и музыкальные инструменты в их отношении к законам акустики . Рикер, 1855. Интернет
  • Вильгельм фон Зан : Об акустическом анализе звуков голоса (= программа Thomasschule в Лейпциге 1871 г.). А. Эдельманн, Лейпциг 1871 г.
  • Дитер Ульманн: Хладни и развитие акустики в 1750-1860 гг . Биркхойзер, Базель, 1996, ISBN 3-7643-5398-8 (Исторические исследования научных сетей 19).
  • Ганс Брейер: dtv-Atlas Physik, Том 1. Механика, акустика, термодинамика, оптика . dtv-Verlag, Мюнхен 1996, ISBN 3-423-03226-X .
  • Генрих Куттруфф: Акустика . Hirzel, Штутгарт 2004, ISBN 3-7776-1244-8 .
  • Герхард Мюллер и Михаэль Мёзер: Карманный справочник по технической акустике . 3. Издание. Springer, Берлин, 2003 г., ISBN 3-540-41242-5 .
  • Ивар Вейт: Техническая акустика . Vogel-Verlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3013-2 .
  • Йенс Ульрих и Экхард Хоффманн: Акустика слуха - теория и практика . ДОЗ-Верлаг, 2007, ISBN 978-3-922269-80-9 .

веб ссылки

Commons : Acoustics  - коллекция изображений, видео и аудио файлов
Викисловарь: Акустика  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы
Викиучебники: Основы акустики  - учебные и учебные материалы

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Х. Бакхаус: Акустик (Справочник по физике, том 8), 1927; Выдержки из перепечатки доступны в Интернете: H. Backhaus, J. Friese, EMv Hornbostel, A. Kalähne, H. Lichte, E. Lübcke, E. Meyer, E. Michel, CV Raman, H. Sell, F. Trendelenburg: Akustik . Springer-Verlag, 13 марта 2013 г., ISBN 978-3-642-47352-4 , стр. 477.
  2. awi.de , Oceanic Acoustics (4 марта 2017 г.)
  3. deutschlandfunk.de , радиоспектакль , 17 декабря 2017 г .: В темноте позволь мне остаться - Lieder aus der Finsternis (4 марта 2017 г.)