Акустика

Акустика (от греч. akustikós — слуховой, слушающийся), в узком смысле слова — учение о звуке, т. е. об упругих колебаниях и волнах в газах, жидкостях и твёрдых телах, слышимых человеческим ухом (частоты таких колебаний находятся в диапазоне 16 гц—20 кгц); в широком смысле — область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 гц) до предельно высоких частот 1012—1013 гц, их взаимодействия с веществом и применения этих колебаний (волн).

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.

Круг вопросов, связанных с влиянием молекулярной структуры вещества на распространение ультразвука, называют молекулярной акустикой, которая изучает поглощение и дисперсию ультразвука, в многоатомных газах, жидкостях и твёрдых телах. Ультразвук оказался не только средством исследования, но и мощным орудием воздействия на вещество.

Важное значение приобрели исследования гиперзвука (частоты 1 Ггц и выше). Интенсивно исследуются взаимодействия гиперзвуковых волн с электронами в металлах и полупроводниках.

Глубокие преобразования произошли и в старых разделах А. В середине 20 в. начинается быстрое развитие психофизиологической акустики, вызванное необходимостью разработки методов неискажённой передачи и воспроизведения множества звуковых сигналов — речи и музыки — по ограниченному числу каналов связи. Эти вопросы А. входят в круг проблем общей теории информации и связи. Исследовались механизмы образования различных звуков речи, характер их звукового спектра, основные показатели качества речи, воспринимаемой на слух. Созданы приборы видимой речи, дающие видимые изображения различных звуков. Разрабатываются методы кодирования речи (сжатой передачи её основных элементов) и её расшифровки (синтеза), развернулись исследования механизмов слухового восприятия, ощущения громкости, определения направления прихода звука (венгерский учёный Д. Бекеши). В этой области А. сомкнулась с физиологией органов чувств и биофизикой.

Таким образом, современная А. по своему содержанию и значению далеко перешагнула те границы, в которых она развивалась до 20 в.

Основные разделы А. Современную А. подразделяют на общую, прикладную и психофизиологическую.

Общая А. занимается теоретическим и экспериментальным изучением закономерностей излучения, распространения и приёма упругих колебаний и волн в различных средах и системах; условно её можно разделить на теорию звука, физическую А. и нелинейную А. Теория звука пользуется общими методами, разработанными в теории колебаний и волн. Для колебаний и волн малой амплитуды принимается принцип независимости колебаний и волн (суперпозиции принцип), на основе которого определяют звуковое поле в разных областях пространства и его изменение во времени.

На распространение, генерацию и приём упругих волн оказывает влияние огромное число факторов, связанных со свойствами и состоянием среды. Рассмотрением этого занимается физическая А. К её задачам относятся, в частности, изучение зависимости скорости и поглощения упругих волн от температуры и вязкости среды и др. факторов.

К важным вопросам физической А. относятся также взаимодействие элементарных звуковых волн (фононов) с электронами и фотонами. Эти взаимодействия становятся особенно существенными на очень высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах при низких температурах. В области таких частот и температур начинают проявляться квантовые эффекты. Этот раздел физики А. иногда называют квантовой А. Нелинейная А. изучает интенсивные звуковые процессы, когда принцип суперпозиции не выполняется и звуковая волна при распространении изменяет свойства среды. Этот раздел А., очень сложный в теоретическом отношении, быстро развивается (как и теория нелинейных волновых процессов в оптике и электродинамике).

Прикладная А. — чрезвычайно обширная область, к которой относится прежде всего электроакустика. Сюда же относятся акустические измерения — измерения величин звукового давления, интенсивности звука, спектра частот звукового сигнала и т. д. Архитектурная и строительная А. занимается задачами получения хорошей слышимости речи и музыки в закрытых помещениях и снижением уровней шума, а также разработкой звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов. Прикладная А. изучает также шумы и вибрации и разрабатывает способы борьбы с ними. Изучением распространения звука в океане и возникающими при этом явлениями: рефракцией звука, реверберацией при отражении звукового сигнала от поверхности моря и его дна, рассеянием звука на неоднородностях и т. д. занимаются гидроакустика и гидролокация.

Атмосферная А. исследует особенности распространения звука в атмосфере, обусловленные неоднородностью её структуры, и является частью метеорологии. Геоакустика изучает применения звука в инженерной геофизике и геологии.

Огромное прикладное значение как в технике физического эксперимента, так и в промышленности, на транспорте, в медицине и др. имеют ультразвук и гиперзвук. Например, в измерительной технике — ультразвуковые линии задержки, измерение сжимаемости жидкостей, модулей упругости твёрдых тел и т. д.; в промышленном контроле — дефектоскопия металлов и сплавов, контроль протекания химических реакций и т. д.; технологические применения — ультразвуковое сверление, очистка и обработка поверхностей, коагуляция аэрозолей и др.

Психофизиологическая А. занимается изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов человека и животных, проблемами речеобразования, передачи и восприятия речи. Результаты используются в электроакустике, архитектурной А., системах передачи речи, теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п. К её разделам относятся: речь, слух, психологическая А., биологическая А.

Вопросами А. в СССР занимаются: в Москве — Акустический институт АН СССР, Научно-исследовательский институт строительной физики, Научно-исследовательский кинофотоинститут, институт звукозаписи; в Ленинграде — институт радиоприёма и акустики; ряд отраслевых институтов, а также большое число лабораторий и кафедр в университетах и вузах страны.

Научные проблемы А. освещаются в различных физических журналах, а также в специальных акустических журналах: «Акустический журнал» (М., с 1955), «Acustica» (Stuttgart, с 1951), «Journal of the Acoustical society of America» (N. Y., с 1929) и др.

Лит.: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., М., 1955; Скучик Е., Основы акустики, пер. с нем. , т. 1 — 2, М., 1958 — 59; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах, 3 изд., М., 1960.

АКУСТИКА — учение о звуке. А.— одна из самых древних областей физи­ки, зародившаяся из потребности дать объяснение явлениям слушания и речи. Еще Эмпедокл (492—432 до н. э.) объяснял распространение и восприятие звуков движениями весьма тонкого вещества, исхо­дящего из звучащего тела и попада­ющего в ухо. Аристотель (384—322 до п. э.) уже понимал, что зву­чащее тело вызывает сжатия и разре­жения воздуха, и объяснял эхо  отражением. Правильные представле­ния о звуке утверждаются в пер­вые века пашей эры,— так, Вптру-впй Поллион (1 век н. э.) сравнива­ет распространение звука с распрост­ранением колебаний на поверхности воды. Первоначальные правильные представления о колебаниях звуча­щего тела установились много ранее: Пифагор Самосский (5 в. до н. э.) фор­мулировал законы колебания струн, Аристотель отчётливо разграничива­ет в ы с о т у, силу, тембр зву­ка п связывает их различия со скоро­стью и количеством приводимого в движение воз­духа и с устройством голосового аппарата.

В средние века развитие А. как науки приоста­навливается в связи с общим научным застоем и только с 16 века А. вновь начинает развиваться. Галилей и Мерсенн устанавливают точные количе­ственные законы колебаний струн. Мерсенн опреде­ляет и скорость звука в воздухе, но находит силь­но преувеличенное значение (414 м/сск.). Гассенди устанавливает, что скорость звука не зависит от его высоты. Скорость звука в воде считалась равной скорости в воздухе; верное определение скорости звука в воде было дано много позже (Бедан, 1825, Колладоп и Штурм, 1827). Первый расчёт скорости звука в воздухе произвёл Ньютон (1687), однако он не предусмотрел нагревания при сжатии, почему получил преуменьшенное число; ошибка эта била исправлена Лапласом (1816).

В начале 18 в. начинает создаваться и теоретиче­ская А.: Тейлор вычисляет число колебаний струны по её длине, весу и натяжению, члены Петербургской Академии наук Л. Эйлер п Д. Бернулли в начале 18 в. и франц. математик и физик Д'Аламбор разраба­тывают полную теорию колебания струн (1740—50) и объясняют происхождение известных уже со времени Мерсепна обертонов (см.). Эйлер устанавливает си­стему музыкальных интервалов («Опыт новой тео­рии музыки», 1739). Хладни в ряде работ подроб­но изучает колебания упругих тел — струп, стерж­ней, пластинок, колоколов и др., и тем открывает новые пути экспериментальной А. (1802). Братья Бобер (1825) и Савар (1820—37) изучают распрост­ранение звука в жидкостях н упругих толах п по­казывают, что оно совершается по тем же законам, что и в воздухе. В 19 в. выходят два крупных труда: Гельмгольпа — «Учение о звуковых ощуще­ниях» (1863, рус. вер. 1875) н Ролея — «Теория звука» (1877—78). Гельмгольц объясняет физпч. природу музыкальных и речевых звуков, исходя из разрабо­танного им метода анализа звуков («резонаторы Гсльм­гольца»), даёт физич. теорию уха, как слухового аппа­рата, и создаёт учение о консонансе и диссонансе, нак-ром основывается современная музыкальная А. В труде Рэлея систематически изложен весь ма­териал А. с точки зрения единой теории, причём в неё вошёл и богатый экспериментальный материал, полученный самим Рэлеем. В конце 19 в. постепен­но устанавливается мнение, что А. как часть фи­зики уже исследована и интерес физиков к ней падает. Поворот к новому мощному развитию А. на­чинается в 20-х гг. 20 в. в связи с появлением элек­тронной лампы  и основанных на её примене­нии усилителей. Этим открываются новые воз­можности измерения акустических величин, обыч­но весьма малых, и получения новых способов ге­нерирования звуков вплоть до радиочастот (миллио­ны колебаний в секунду). В особенности сильно развивалась акустика в связи с проблемой радио­вещания.

Современную А. можно разделить на А. общую (включая теоретическую А.), физиологическую, музыкальную (см. Акустика музыкальная), атмосфер­ную, электроакустику, гидроакустику и архитектур­ную А.

Общая А. изучает (теоретически и эксперимен­тально) процессы возникновения и распространения звука, а также методы акустич. измерений. Весьма часто звук возникает при колебании упругих тел (диафрагмы телефона, громкоговорителя, колокола), возбуждаемых или ударом, или периодич. силой, главным образом обусловливаемой действием элект-рич. тока или напряжения. В первом случае звуки кратковременны, во втором — могут длиться всё время, пока излучающий звук аппарат питается энергией переменного электрич. тока. Другой важ­ный случай звукообразования, так называемого автоколебания, имеет место в органных тру­бах, свистках и вообще духовых инструментах. Авто­колебания происходят в горле человека и живот­ных. Часто автоколебательная система является электрической, в этом случае даваемые ею элек­трические колебания преобразуются (как, напр., в телефоне и громкоговорителе) в колебания упру­гого тела. Правильное и полное понимание таких автоколебательных процессов было достигнуто пос­ле 1920 трудами советской школы физиков, ру­ководимой академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (А. А. Андронов, С. Э.Хайкин и др.), а затем исследованиями советского учёного К. Ф. Теодорчика.

Колебания. Колебания любой точки звуча­щего тела характеризуются: амплитудой, т. е. размахом — величиной наибольшего отклоне­ния точки от положения её равновесия (измерения показывают, что чем сильнее ощущение звука, тем больше амплитуда звучащего тела), и числом колебаний в секунду (одним полным колебанием считается движение точки от некото­рого положения, например положения её равнове­сия, в одну сторону, затем в другую и до возвра­щения в прежнее положение). Время, уходящее на одно колебание, называется его периодом. Обозначив число колебаний в 1 сек. через N, а период через Т, имеем NT—1 сек. Чем больше чис­ло колебаний в секунду, тем более высоким кажется нам звук.

Число колебаний, даваемых звучащим телом, может быть весьма различным — от нескольких колебаний до многих миллионов в секунду. Разли­чают инфразвуковые колебания 0—(16—20) колеба­ний в сек., не воспринимаемые человеческим ухом, (16—20)—(16—20тыс.) колебаний в сек.— слышимые звуки; выше этой частоты колебания не восприни­маются ухом и называются ультразвуковыми. Кроме того, колебания звучащего тела характеризуются формой колебания, под к-рой подразумевают характер изменения поло­жения и скорости колеблющейся точки за время, равное периоду. Простейшая форма колебания — синусоидальная, для к-рой изменение с течением времени отклонения точки от положения равновесия. Звук, издаваемый телом, колеблющимся по такому закону, называется про­стым звуком, или чис­тым тоном. Все другие звуки — слож­ные. Название «форма колебания» произош­ло от способа изобра­жения характера ко­лебания: откладываем на прямой от опреде­лённой точки отрезки; длины отрезков про­порциональны време­нам, для к-рых опре­деляются отклонения, а самые отклонения— на перпендикулярах, восстановленных из концов соответствую­щих отрезков; в ре­зультате образуется ряд точек, соединяя к-рые сплошной ли­нией, получим рису­нок, вполне характеризующий колебание. От формы колебания зависит оттенок или тембр звука, та его особенность, благодаря к-рой мы отличаем, напр., звук голоса от звука скрипки, хотя бы оба имели одинаковую амплитуду и число колебаний в секунду. Так, чистые тона имеют глу­ховатый тембр, сложные—более или менее резкий; звуки непериодического характера (точки звуча­щего тела колеблются нерегулярно) имеют характер шумов, как, напр., согласная «ш» (рис. 4). Вышепри­ведённые кривые могут быть получены опытным путём, способы их получения весьма разнообразны; один из них описан ниже (мембрана с зеркальцем).

По характеру распространения звуковые волны мало отличаются от волн других известных в фи­зике типов: световых, радиоволн, водяных, — во всех этих случаях наблюдаются бегущие и стоячие волны, отражение и преломление, интерференция и диффращия. Но по физич. происхождению и по своей природе звуковые волны существенно от них отличаются. Для распространения звука необходимо наличие упругой среды, такой, как вода, воздух и т. п., тогда как электромагнитные волны (свет, радиополны) распространяются в специфи­ческом электромагнитном поле. Существенное отличив звуковых волн — зависимость скорости их распрост­ранения от их мощности, о чём упоминалось выше; второе отличие — перенос звуковых волн средой (ветер, течение); теория такого переноса звуковых волн изучена впервые и изучалась до сих пор только советскими физиками (II. Н. Андреев и И. Г. Русаков, 1934, Д. И. Блохинцев, 1946, и др.). При распространении звуковых волн всегда наблю­дается потеря ими энергии, они слабеют — проис­ходит так называемое поглощение звука. Звукопоглощение обусловлено выравниванием дав­лений в звуковой волне; оно вызвано молекуляр­ными процессами обмена энергиями в соседних ча­стях звуковой волны и перехода их в тепловую энер­гию. Изучение звукопоглощения позволяет подой­ти к молекулярной структуре жидкостей и газов. Первоначально установленными Стоксом и Кирх­гофом причинами звукопоглощения являются вяз­кость и теплопроводность; при этом работами советских физиков Л.И. Мандельштама, М. А. Леоп-товича, П. А. Бажулина установлено, что для жид­костей потери на вязкость имеют двоякий характер: среда характеризуется не одним коэфициентом вяз­кости, как полагали до этих работ, а двумя. При высоких частотах, т. е. малых длинах волн, наблю­дается звукопоглощение, обусловленное неоднород­ностью молекулярной структуры среды, как это было впервые показано П. Н. Лебедевым и П. П. Неклепаевым. Наконец, установлен тип поглощения, вы­зываемый обменом энергии звуковых волн с энергией молекул (Кнезер).

Передатчики и приёмники з в у к а. Всякое тело, способное совершать колебания, может быть передатчиком (источником) или приём­ником звука; тело, колеблясь, попеременно сжимает и разрежает окружающую его среду (воздух или воду) и, т. о., служит причиной возникновения зву­ковых воли. И, наоборот, сжатия и разрежения, несомые звуковыми волнами, производят на встре­чаемое ими тело переменные давления и вызывают колебания тела (приёмника). Колебания передатчика могут быть свободные, вынужденные и с обратной связью. Напр. струна, по к-рой ударил молоточек рояля, колеблется затем свободно, причём вслед­ствие отдачи её колебательной энергии доке рояля, а также других потерь, колебание её затухающее. Таково же и колебание свободного камертона. Но если колебания тела поддерживаются внешней си­лой, то они называются вынужденным: так, диа­фрагма телефона колеблется под действием магнитной силы. Примером колебаний передат­чика с обратной связью может служить молоточек электрич. звонка: здесь колебание молоточка вызы­вает перерывы тока, к-рый, в свою очередь, поддер­живает эти же колебания. Начальная амплитуда свободных колебаний тем больше, чем ббльший за­пас энергии сообщён колеблющемуся телу; частота колебаний определяется массой и упругостью тела. Так, напр., амплитуда колебания струны тем больше, чем больше мы её оттянули, частота колебаний тем меньше, чем толще и тяжелее струна, и тем больше, чем сильнее струна натянута, но совершенно не за­висит от амплитуды. Амплитуда вынужденных коле­баний зависит от двух обстоятельств: во-первых, от величины вынуждающей колебания силы. Если, напр., мы поём перед диафрагмой микрофона, то амплитуда её колебаний тем больше, чем громче мы поём, т. е. чем значительнее те сгущения и разре­жения воздуха, к-рые мы вызываем и к-рые застав­ляют диафрагму выгибаться то в одну, то в другую сторону. Но, кроме того, большое значение имеет и высота производимого нами звука. Можно заме­тить, что диафрагма особенно сильно колеблется при звуке определённой высоты и много слабее при звуках более низких или значительно более высоких. Период звука, при к-ром наблюдаются наиболее сильные колебания, совпадает с периодом свободных колебаний диафрагмы. В этом случае говорят, что тело (в данном случае диафрагма) находятся в резонансе с возбуждающей колебания силой, а само тело получает название резонатора. Частота колебаний с обратной связью почти точно равна собственной частоте свободных колебаний системы; амплитуда же тем больше, чем «крепче» эта связь (напр. в электрич. звонке), чем большее изменение вызывает перерыв тока, создаваемый движением мо­лоточка в силе электромагнита, притягивающего мо­лоточек, а также, чем сильнее ток, пропускаемый по обмотке электромагнита.

Важным типом приёмника является воздушный резонатор, сыгравший большую роль в истории А.; это, например., бутылка, цилиндр или шар с отвер­стием (резонатор Гельмгольца, рис. 10). Звуковые приходящий к резонатору звук сложен, то, подбирая резонаторы, наиболее сильно отзывающиеся, можно произвести анализ звука, т. е. установить, какие колебания присутствуют в звуковой волне.

Такой анализ сложного звука и синтез его из простых колебаний произвёл Гельмгольц («Учение о звуковых ощущениях», 1863). В настоящее время существуют анализаторы, позволяющие в несколько секунд получить в виде кривой на фотопластинке полную картину состава сложного звука.

В содержание общей А. входят обычно методы измерения акустических величин и измерительная аппаратура. Вследствие весьма малых амплитуд звуковых волн измерение их долгое время было весьма затруднительно и могло быть осуществлено с точностью, много меньшей, чем в других физических измерениях. Перпые абсолютные методы измерений были даны Рэлоем, а также П. Н. Лебедевым и В. Д. Зерновым (1908). Современные звукоизмери-тельные аппараты за редкими исключениями  представляют, по существу, комплекс, состоя­щий из приёмника, превращающего механические ко­лебания, создаваемые в нём звуковыми волнами, в электрический ток, к-рый поступает в усилитель, а из него в измерительный радиотехнический прибор; весьма часто результат измерения фиксируется на фотопластинке.

Физиологическая А. занимается изучением вос­приятия звуков органами слуха и образования зву­ков органом речи, причём объектом изучения яв­ляется почти исключительно че­ловек. Ухо человека  состоит из наружного уха, в ко­торое поступают звуковые волны, среднего уха, которое отделено от наружного так называемой барабанной перепопкой, колеблю­щейся от действия звуковых волн, внутреннего уха и системы косточек, находящейся в среднем ухе и передающей эти колебания внутреннему уху; в последнем находится жидкость, изменения давле­ния в к-рой передаются, при помощи еще неизвест­ных физико-химических процессов, нерпам. Чув­ствительность нашего уха к звукам различной вы­соты, т. е. различного числа колебаний в сек., чрез­вычайно различна; так, нормальное ухо не воспри­нимает совершенно звуков до 16 и от 20.000 и вы­ше колебаний в секунду. Но и в промежутке 16—20.000 ухо воспринимает разные тоны с различ­ной силой, даже если несомая ими звуковая энергия одинакова. Поэтому сила звука, т. е. количество несомой им звукопой энергии, не соответствует громкости, т. е. степени раздражения слуховых нер­вов. Нижеследующая таблица показывает силу зву­ков, воспринимаемых ухом, как звуки одинаковой громкости и притом еле слышимые.

Выше и ниже указанных пределов сила звука, едва воспринимаемого ухом, чрезвычайно возрастает. Таким образом, наибольшую чувствительность ухо имеет к тонам 1.500—3.000 колебаний в сок.; эта чувствительность колоссальна. Если энергию, запасенную в 1 г, поднятом на высоту 1 см, превратить в энергию звука, длящегося 1 сек. с числом колеба­ний 2.000, и эту звуковую энергию разделить на 1012 (миллион миллионов) равных частей, то одной такой части будет достаточно, чтобы человеческое ухо восприняло её как звук. Надо отметить, что вышеприведённые результаты являются средними: раз­личные люди и даже правое и левое ухо одного чело­века обладают нередко весьма различной чувстви­тельностью. Если в ухо попадают дна звука различ­ной частоты, то более сильный тон иногда заглушает более слабый (если сила последнего не достигает известного предела). Низкие звуки нередко легче за­глушают высокие; это явление называется маски­ровкой одного звука другим. Изменения высоты и силы звука ощущаются ухом тогда, когда эти изменения значительны; здесь приблизительно верен так наз. закон Вебера-Фехпера: отношение измене­ния звуковой энергии, еле ощущаемого ухом, к полной величине энергии приблизительно одина­ково для звуков разной силы; также и отношение изменения числа колебаний в секунду к полному числу колебаний.

Весьма сильные звуки, как слышимые, так и неслышимые, вызывают ощущение давления и даже боли в ухе. Сила звука, при к-рой начинаются эти ощущения, называется болевым порогом, или по­рогом ощущения.

Наличие у человека двух ушей даёт ему возмож­ность определять направление, откуда идёт звук. Ухо, более обращенное к звуку, слышит его несколь­ко лучше и, кроме того, несколько раньше; это по­следнее обстоятельство н помогает гл. обр. определять направление звука, т. к. уши чрезвычайно чувстви­тельны к разности времён прихода звука и улавли­вают её, если она не менее 3-10~5 сек.; ассоциации, вызванные в мозгу этой разницей, создают чувство направления. В комнате направление звука опре­делить невозможно вследствие многочисленных от­ражений его от степ.

Горло человека  как орган звука представ­ляет трубку, закрытую двумя голосовыми связками, образующими т. н. голосовую щель; натяжение связок может изменяться мускулами горла. Воздух, выходя­щий из лёгких, вызывает колебание связок, издающих звук. Это есть автоколебание, поддерживаемое потоком воздуха из лёгких. В колебаниях участвуют полости рта и носа, играющие роль резонаторов; меняя их объём и натяжение связок горла, мы можем менять высоту и состав звуков, образуемых при речи, пении, свисте. При этом звук состоит не только из основного тона, но в состав его входят еще тона более высоких частот—т. н. форманты; наличие их обусловливает тембр звука и его индивидуальную окраску, а также объясняет различие произносимых нами звуков речи.

В настоящее время установлен состав гласных зву­ков речи; основн