Акустика
В акустике (от греческого ἀκούειν (произносится «akuein»), слышать «или akoustikós , услышав о») есть наука о звуке и его распространения. В область науки включается множество связанных аспектов, таких как происхождение и генерация, распространение, влияние и анализ звука, его восприятие ухом и влияние на людей и животных. Акустика - это междисциплинарный предмет, основанный на знаниях из множества специализированных областей, включая физику , психологию , технику связи и материаловедение . Акустика также (нечеткая) разделена на три части:
- В физической акустику (часто называют просто «акустический») включает в себя , в частности , ветвях классической механики ,
- в физиологической акустике , обработанная записи звука и передачу звука в органах уха и
- то психологическая акустика Конверсия акустической стимуляции нерва в ощущение слуха.
Наиболее важные области применения акустики включают исследование и снижение шума , попытки создать приятный звук или передать акустическую информацию, такую как тон . Кроме того, использование звука для диагностики или в технических целях - важное применение акустики.
история
Первым систематическим увлечением акустикой было введение тональных систем и настроений в музыку в 3-м тысячелетии до нашей эры. В Китае . С западной древности научное исследование акустики было передано, среди прочего, Пифагором Самосским (около 570–510 гг. До н.э.), который математически проанализировал взаимосвязь между длиной струны и высотой звука в монохорде , некоторые из открытий приписывались его, например, Пифагора в кузнице , но больше легенды. Хрисипп из 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 предположил, что звук распространяется как сферическая волна . Он также описал принцип действия резонаторов Гельмгольца для поглощения низкочастотного звука.
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) исследовал тональное восприятие, 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 (1847-1931). 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 в помещениях. 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 ( гидролокатор ). Генрих Баркгаузен (1881–1956) изобрел первое устройство для измерения объема . Примерно с 1930 года издаются научные журналы, посвященные исключительно темам, связанным с акустикой.
Одним из наиболее важных применений акустики в первой половине 20 века было снижение шума . Например, глушитель выхлопной системы автомобилей постоянно совершенствовался. С появлением реактивных двигателей примерно в 1950 году и необходимого для успешного использования снижения шума была разработана аэроакустика , которая была по существу основана на работах Майкла Джеймса Лайтхилла (1924–1998).
Подзоны
В акустике решается большое количество различных аспектов:
- Аэроакустика занимается развитием и распространением аэродинамически генерируемых шумов и их уменьшением.
- В медицине аудиометрия используется для измерения параметров слуха человека.
- Биоакустика описывает область исследований звука животных.
- Электроакустика занимается записью, обработкой и воспроизведением звука.
- Автомобильная акустика решает все вопросы, связанные с внутренним и внешним шумом в транспортных средствах.
- Гидроакустика борется с шумом, переносимым водой
- Исследование шума касается всех аспектов генерации, уменьшения и восприятия шума.
- Музыкальная акустика занимается созданием и восприятием музыки.
- Оптоакустика
- Акустика океана как часть морской науки имеет дело с сигналами из подводного мира морей , Центр полярных и морских исследований Института Альфреда Вегенера Гельмгольца (AWI) в Бремерхафене поддерживает соответствующую рабочую группу.
- Фонетика занимается обработкой языка и общением
- Физическая акустика занимается физическими основами акустики.
- Психоакустика занимается вопросами, связанными с восприятием звука и субъективной оценкой звука и объективизацией субъективного восприятия, в музыковедении также с помощью музыкальной психологии.
- Акустика помещений и акустика зданий решают вопросы передачи звука в зданиях и звукоусиления зрительных залов.
- Техническая акустика устраняет шум машин и систем.
- Термоакустика занимается взаимодействием тепловой энергии и акустических колебаний.
аналитические методы
Частотный анализ
Помимо учета усредненного по времени звукового поля и величин звуковой энергии , часто измеряется временное отклонение , например B. сигнал давления , и подвергнутый частотному анализу. Чтобы узнать о соотношении частотного спектра, полученного таким образом, и звука, см. Звуковой спектр . Временное изменение в звуковом событии доступно с помощью кратковременного преобразования Фурье . Изменения в спектре в процессе звукового излучения, распространения и измерения или восприятия описываются соответствующей частотной характеристикой . Кривые частотного взвешивания учитывают частотную характеристику уха .
Резонансный анализ
Анализ акустического резонанса оценивает результирующие резонансные частоты, когда тело приводится в колебания импульсным возбуждением, таким как удар . Если тело представляет собой колебательную систему, форма которой характерна для определенного периода характерных частот, то тело вибрирует 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
Комната с низким уровнем отражения
Безэховая комната , иногда неправильно называют «безэховый» номер, имеет материал поглощения на потолке и стенах , так что только минимальные отражения возникают и условие , как в прямом поле D (свободном поле или свободном звуковое поле) преобладают, с звуковым давлением в 1 / r уменьшается закон расстояния от точечного источника звука. Такие помещения подходят для записи голоса и для попыток локализации источников звука. Если интенсивность звука, проходящего вертикально через эту поверхность, измеряется на воображаемой оболочке вокруг источника звука, можно определить мощность звука источника. Комната с низким уровнем отражения и звукоотражающим полом называется комнатой с полусвободным пространством, смежной с комнатой со свободным полем.
Открытое пространство
Комната свободного поля - 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 - также под объектом измерения.
Комната реверберации
С другой стороны, комната реверберации построена таким образом, что отражения одинакового размера со всех сторон собираются вместе в любой точке звукового поля. В идеальном помещении для реверберации, за исключением области непосредственно вокруг источника звука (см. Радиус реверберации ), в каждом месте преобладает одинаковое звуковое давление. Такое звуковое поле называется диффузным полем . Поскольку звуковые лучи падают со всех сторон одновременно, в диффузном поле нет интенсивности звука. Чтобы избежать резонанса 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 . Здесь 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 комнате реверберации 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 человеческого слуха находится между порогом слышимости и болевым порогом (примерно от 0 дБ HL до 110 дБ HL).
Фонология
При генерации звуков в контексте фонологии 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 неизменяемыми 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 шуме потока с принудительной подачей воздуха, с голосовыми связками отдыхают.
Профессиональное обучение
Профессионалов в области акустики называют акустиками или инженерами-акустиками. Должности на английском языке: инженер-акустик или акустик. Обычный подход к этой области работы - получение степени по физике или соответствующей инженерной степени. 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 школы Томаса в Лейпциге 1871 г.). А. Эдельманн, Лейпциг 1871 г.
- Дитер Ульманн: Хладни и развитие акустики в 1750-1860 гг . Биркхойзер, Базель 1996 г., 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
- Введение в акустику помещения и звуковые технологии
- Определение терминов из акустики и технологии звукоусиления
- Музыкальная акустика (PDF; 264 kB)
- Акустика-слух-психоакустика
- Акустика и музыка - содержит дальнейшие ссылки с графическими и звуковыми примерами.
- Глоссарий по акустике с техническими терминами (PDF; 1516 kB)
- Сборник специальных статей по звуковой инженерии
- Информация Федерального агентства занятости населения о профессии акустика или инженера-акустика.
Индивидуальные доказательства
- ^ 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.
- ↑ awi.de , Oceanic Acoustics (4 марта 2017 г.)
- ↑ deutschlandfunk.de , радиоспектакль , 17 декабря 2017 г .: В темноте позволь мне остаться - Lieder aus der Finsternis (4 марта 2017 г.)