БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (АК) Страница 53

  Исторический очерк. А. — одна из самых древних областей знания, зародившаяся из потребности дать объяснение явлениям слуха и речи и в особенности музыкальным звукам и инструментам. Ещё древнегреческий математик и философ Пифагор (6 в. до н. э.) обнаружил связь между высотой тона и длиной струны или трубы; Аристотель (4 в. до н. э.) понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения воздуха, и объяснял эхо отражением звука от препятствий.

  Период средневековья мало что дал развитию А.; её прогресс становится заметным, начиная с эпохи Возрождения. Итальянский учёный Леонардо да Винчи (15—16 вв.) исследовал отражение звука, сформулировал принцип независимости распространения звуковых волн от разных источников.

  Историю развития А., как физической науки, можно разбить на 3 периода. Первый период — от начала 17 в. до начала 18 в. — характеризуется исследованиями системы музыкальных тонов, их источников (струны, трубы), скорости распространения звука. Г. Галилей обнаружил, что звучащее тело испытывает колебания и что высота звука зависит от частоты этих колебаний, а интенсивность звука — от их амплитуды. Французский учёный М. Мерсенн, следуя Галилею, уже мог определить число колебаний звучащей струны; он впервые измерил скорость звука в воздухе. Р. Гук (Англия) устанавливает на опыте пропорциональность между деформацией тела и связанным с ней напряжением — основной закон теории упругости и А., а Х. Гюйгенс (Голландия) — важный принцип волнового движения, названный его именем (см. Волны).

  Второй период охватывает два века — от создания основ механики И. Ньютоном (конец 17 в.) и до начала 20 в. В этот период А. развивается как раздел механики. Создаётся общая теория механических колебаний, излучения и распространения звуковых (упругих) волн в среде, разрабатываются методы измерения характеристик звука (звукового давления в среде, импульса, энергии и потока энергии звуковых волн, скорости распространения звука). Диапазон звуковых волн расширяется и охватывает как область инфразвука (до 16 гц), так и ультразвука (свыше 20 кгц). Выясняется физическая сущность тембра звука (его «окраски»).

  С работ Ньютона начинается расцвет классической физики. Механика, гидродинамика и теория упругости, теория волн, акустика и оптика развиваются в тесной связи друг с другом. Члены Петербургской Академии наук Л. Эйлер и Д. Бернулли и французские учёные Ж. Д'Аламбер и Ж. Лагранж разрабатывают теорию колебаний струн, стержней и пластинок, объясняют происхождение обертонов. Немецкий учёный Э. Хладни (конец 18 — начало 19 вв.) экспериментально исследует формы звуковых колебаний, совершаемых различными звучащими телами — мембранами, пластинами, колоколами. Т. Юнг (Англия) и О. Френель (Франция) развивают представления Гюйгенса о распространении волн, создают теорию интерференции и дифракции волн. Х. Доплер (Австрия) устанавливает закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя. Огромное значение не только для А., но и для физики в целом имело создание методов разложения сложного колебательного процесса на простые составляющие — анализа колебаний — и синтеза сложных колебаний из простых. Математический метод разложения периодически повторяющихся процессов на простые гармонические составляющие был найден французским учёным Ж. Фурье. Экспериментально анализ звука — разложение его в спектр гармонических колебаний с помощью набора резонаторов — и синтез сложного звука из простых составляющих осуществил немецкий учёный Г. Гельмгольц. Подбором камертонов с резонаторами Гельмгольцу удалось искусственно воспроизвести различные гласные. Он исследовал состав музыкальных звуков, объяснил тембр звука характерным для него набором добавочных тонов (гармоник). На основе своей теории резонаторов Гельмгольц дал первую физическую теорию уха как слухового аппарата. Его исследования заложили основу физиологической акустики и музыкальной акустики. Весь этот этап развития А. подытожен английским физиком Рэлеем (Дж. Стретт) в его классическом труде «Теория звука».

  На рубеже 19 и 20 вв. важные работы по А. были выполнены русским физиком Н. А. Умовым, который ввёл понятие плотности потока энергии для упругих волн. Американский учёный У. Сэбин заложил основы архитектурной акустики. Русский физик П. Н. Лебедев (вместе с Н. П. Неклепаевым) выделил из резкого звука электрической искры ультразвуковые волны с частотами до нескольких сот кгц и исследовал их поглощение в воздухе.

  К началу 20 в. интерес к А. ослабевает; А. считают теоретически и экспериментально завершенной областью науки, в которой остались нерешенными лишь задачи частного характера.

  Третий, современный период в истории А., начинающийся в 20-х гг. 20 в., связан, прежде всего, с развитием электроакустики и созданием радиотехники и радиовещания. Перед А. встал новый круг проблем — преобразование звуковых сигналов в электромагнитные и обратно, их усиление и неискажённое воспроизведение. В то же время радиотехника и электроакустика открыли невиданные ранее возможности развития А. Электроакустика появилась ещё в последней четверти 19 в. В 1876 был изобретён телефон (Белл, США), в 1877 — фонограф (Эдисон, США). В 1901 была разработана магнитная запись звука, примененная затем в магнитофоне и звуковом кино. В начале 20 в. электромеханические преобразователи звука были применены в громкоговорителях, а в 20-х гг. стали основой всей современной акустической аппаратуры.

  Электронная лампа дала возможность усиления чрезвычайно слабых акустических сигналов, преобразованных в электрические. Были разработаны методы радиоакустических измерений, анализа и воспроизведения звука. Эти новые возможности революционизировали А., превратив её из считавшейся завершенной области механики в самостоятельный раздел современной физики и техники.

  Развитие А. в 1-й половине 20 в. получило мощный импульс в связи с запросами военной техники. 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 требовали более глубокого изучения механизма образования и поглощения звука, распространения звуковых (в частности, ультразвуковых) волн в сложных условиях. Проблемы генерации звука стали предметом обширных исследований и в связи с развитием общей теории колебаний, охватывающей воедино механические, электрические и электромеханические колебательные процессы. В 20-х и 30-х гг. много работ было посвящено теории автоколебаний — самоподдерживающихся колебаний системы, связанной с постоянным источником энергии; большой вклад в разработку этой теории внесла советская школа физиков, возглавлявшаяся Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Особый интерес вызвал вопрос о распространении звуковых волн большой интенсивности (например, взрывных волн); работы русских физиков А. А. Эйхенвальда и Н. Н. Андреева в этой области внесли значительный вклад в нелинейную акустику, предметом исследования которой являются мощные звуковые поля. М. Лайтхилл (Англия, 1952) дал общую теорию аэродинамической генерации звука, изучающую возникновение звука в движущейся среде за счёт неустойчивости потока газа. Н. Н. Андреев и И. Г. Русаков (1934), Д. И. Блохинцев (1947) разработали основы акустики движущихся сред.

  Первые успехи в гидроакустике были достигнуты французским физиком П. Ланжевеном (1916), применившим ультразвуковые волны для измерения глубины моря и обнаружения подводных лодок. Явление сверхдальнего распространения звука взрыва в море в подводных звуковых каналах было открыто независимо американскими учёными (М. Ивингом и Д. Ворцелем, 1944) и советскими учёными (Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенбергом, 1946). Проблемам звукопоглощения и звукорассеяния, которые 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 в свою очередь создало возможность применения звуковых волн для зондирования среды, в частности атмосферы; это привело к развитию атмосферной акустики.

  В последние два десятилетия чрезвычайно большое значение приобрели исследования ультразвука, особенно высоких частот и больших интенсивностей, ставшего средством изучения структуры и свойств вещества. Ещё в 20-х гг. советский учёный С. Я. Соколов применил ультразвук для дефектоскопии металлов. В Германии Х. О. Кнезер (1933) обнаружил явление сильного поглощения и дисперсии ультразвука в многоатомных газах. Позднее дисперсия и аномальное поглощение ультразвука были обнаружены также и в жидкостях. Общая теория этих явлений, т. н. релаксационная теория, была дана Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Ультразвуковые колебания высокой частоты вызывают также перестройку структуры жидкостей, диссоциацию молекул и многие другие эффекты. На стыке А. и оптики Мандельштам (1918, 1926) и Л. Бриллюэн (Франция, 1922) создали теорию рассеяния света на ультразвуковых волнах в жидкостях и твёрдых телах (см. Мандельштама — Бриллюэна явление). Это явление оказалось важным для изучения молекулярной структуры вещества.