Historia akustyki i elektroakustyki
Historia akustyki została zaprezentowana m.in. w książce Daniela Raichela „The Science and Applications of Acoustics” [28]. Można tam znaleźć bardziej szczegółowy opis przytoczonych poniżej faktów. Już w starożytności posiadano wiedzę o oddziaływaniu fal dźwiękowych przydatną np. w modelowaniu akustyki pomieszczeń. Rzymski architekt i inżynier Witruwiusz napisał w 20 r. p.n.e. dzieło „De architectura”, zawierające m.in. opisy wpływu pogłosu, echa i interferencji fal akustycznych. Antyczni architekci umieszczali w ścianach amfiteatrów rzędy waz dla poprawienia właściwości akustycznych. Pełniły one rolę rezonatorów i służyły prawdopodobnie wprowadzeniu pewnego pogłosu w tak bezechowych warunkach jakie występują pod gołym niebem. Podobne rezonatory umieszczano również w średniowieczu w ścianach kościołów, gdzie miały za zadanie tłumienie pogłosu w niskim zakresie częstotliwości.
Starożytni filozofowie zastanawiali się nad postrzeganiem dźwięku przez człowieka. Pitagoras (570-497 r.p.n.e.) znalazł matematyczne zależności pomiędzy częstotliwościami harmonijnie brzmiących zestawień dźwięków – oktawy, kwinty i kwarty. Doświadczalnie wykazał, że powietrze pobudzone przez strunę drgającą z określoną częstotliwością również drga, z tą samą częstotliwością, a także, że wysokość dźwięku struny zależy odwrotnie proporcjonalnie od jej długości.
Rzymski filozof Severinus Boethius (480-524) opisywał w swoim traktacie „De institutione musica” (500 r) naturę dźwięku przez analogię do fal kolistych rozchodzących się po wodzie po wrzuceniu do niej kamienia.
Miano „ojca akustyki” nosił francuski matematyk, filozof i teoretyk muzyki Marin Mersenne (1588-1648), który ustalił związek pomiędzy wysokością dźwięku i częstotliwością drgań i przyporządkował konkretne wartości częstotliwości poszczególnym wysokościom dźwięku. Wykazał on również, że stosunek częstotliwości dwóch strun, z których druga brzmi o oktawę wyżej niż pierwsza wynosi 1:2. Mersenne zmierzył prędkość dźwięku wyznaczając ilość uderzeń serca pomiędzy błyskiem błyskawicy a usłyszeniem grzmotu. Wyznaczona przez niego wartość była zawyżona – 450 m/s. Obserwował także zaginanie dźwięku na przeszkodach.
Galileusz (1564-1642) niezależnie od Marsena również sformułował wniosek o związku pomiędzy wysokością dźwięku i częstotliwością drgań. Prowadził także badania nad zależnością pomiędzy częstotliwością drgań struny a jej długością. Robert Boyle w 1640 r. razem ze swym asystentem – Robertem Hooke’iem umieścili tykający zegarek pod szklaną kopułą i wypompowali spod kopuły część powietrza. Osłabienie odgłosu tykania było dowodem na to, że obecność powietrza gra ważną rolę w emisji lub transmisji dźwięku. Hooke w 1678 roku ogłosił swoje prawo odnoszące się do siły deformacji, które stało się podstawą do teorii wibracji i elastyczności.
Matematyczne sformułowanie sposobu rozprzestrzeniania się dźwięku przedstawił Isaac Newton w swoim dziele „Principia” z 1686 r. Interpretował on dźwięk jako pulsowanie ciśnienia przenoszone przez sąsiadujące cząsteczki ośrodka. Przedstawił również wzór na prędkość dźwięku, który okazał się jednak błędny. Wzór Newtona poprawił w 1826 r. Laplace.
W 1787 roku Ernst F.F. Chlandi (1756-1827) zaobserwował, że piasek rozsypany na talerzu perkusyjnym tworzy na powierzchni talerza określone wzory podczas pobudzenia talerza do drgań za pomocą smyczka. Piasek gromadził się w miejscach, gdzie fala stojąca na powierzchni talerza tworzyła węzły.
Wielcy matematycy XVIII w. – Euler, Lagrange i d’Alembert także przyczynili się do rozwoju akustyki. Stworzyli aparat matematyczny i zastosowali go do opisu sygnałów dźwiękowych. Prace Eulera i Lagrange’a pozwoliły przewidzieć przybliżone częstotliwości składowych harmonicznych dla rur otwartych i zamkniętych.
Historię akustyki w XIX i XX w. szczegółowo opisuje Robert Thomas Beyer w książce „Sounds of Our Times: Two Hundred Years of Acoustics”. Poniżej zaprezentowano tylko wybrane fakty opisywane w tej książce.
W 1808 J.B. Biot zmierzył po raz pierwszy prędkość dźwięku w ciele stałym, a dokładnie w żelaznych rurach kanalizacyjnych Paryża, a w 1826 r. D. Colladon i Ch. Sturm zmierzyli prędkość dźwięku w wodzie jeziora Geneva w Szwajcarii, uzyskując wynik 1437,8 m/s. J.B.J. Fourier (1768-1830) w 1822 roku opublikował książkę o teorii propagacji ciepła, w której nie było ani słowa o akustyce, ale która niewątpliwie miała duże znaczenie dla poszerzenia wiedzy o dźwięku. W pracy tej Fourier zademonstrował, że skończona funkcja może być przedstawiona jako szereg prostych funkcji harmonicznych o odpowiednio dobranych amplitudach i fazach. Pomysł został szybko podchwycony przez środowisko akustyczne. W 1843 roku Georg Simon Ohm (1789-1854) ustanowił prawo akustyki, które mówi, że wszystkie tony muzyczne są funkcjami okresowymi czasu, przy czym ucho jest zdolne rozkładać dźwięki na składowe sinusoidalne.
Herman L.F. von Helmholtz (1821-1894) był bardzo wszechstronnym naukowcem i wielkim zasłużonym dla fizyki. W dziedzinie akustyki przeprowadził szczegółowe badania struktury ucha, doświadczalnie zaprezentował prawdziwość akustycznego prawa Ohma, a ponadto wykazał, że jakość dźwięku złożonego z wielu tonów zależy wyłącznie od liczby i mocy składowych tonów, a w żadnym wypadku od ich różnic w fazie. Podwaliny analizy spektralnej zawarł w dziele „Lehre von den Tonempfmdungen als physiologische Grundlage fur die Theorie der Musik” (Wrażenia słuchowe jako fizjologiczna podstawa dla teorii muzyki), w której opisał również wynaleziony przez siebie rezonator. Była to duża butla w kształcie balona wykonana z miedzi. Rezonatory Helmholza różnej postaci były używane do kształtowania akustyki pomieszczeń już w starożytności (wazy i inne naczynia zamurowywane w ścianach budowli) i są stosowane również i dziś.
Lord Rayleigh (właśc. John W. Strutt) to kolejna postać zasłużona dla akustyki i całej fizyki. Przeprowadził wiele eksperymentów akustycznych, a także skonstruował urządzenie do pomiaru intensywności dźwięku. Zwieńczeniem, a zarazem podsumowaniem prac powstałych do tamtych czasów, było dzieło Lorda Rayleigha „Theory of Sound”. Dzieło to było na tyle kompletne, że można by stwierdzić, iż w momencie jego publikacji akustyka stała się zamkniętą dziedziną fizyki. „...Ale taki jest już paradoks dziejów, że właśnie w tym czasie następuje wynalezienie przez Bella (1876r.) telefonu i fonografu przez Edisona i Berlinera (1878r.). Otwiera to całą nową dziedzinę akustyki, związaną z przekazywaniem sygnałów akustycznych drogą elektryczna. ...(elektroakustykę)”.
Początek XX wieku przyniósł już niezliczoną liczbę technicznych zastosowań dotychczas opracowanych fundamentów naukowych. Wallace C. Sabine (1868-1919) pracując nad redukcją pogłosu w auli na Uniwersytecie Harvarda przyczynił się do rozwoju akustyki architektonicznej m.in. podając wzór na czas pogłosu pomieszczenia [28]. Alexander Graham Bell (1847 - 1922) pracował nad „harmonicznym telegrafem” - urządzeniem które umożliwiało przesyłanie co najmniej dwu sygnałów przy użyciu jednego przewodu, wynalazł mikrofon, a następnie połączył go z głośnikiem i w ten sposób skonstruował pierwszy telefon [2]. Thomas Alva Edison (1847 - 1931) skonstruował m.in. fonograf, czyli urządzenie służące do zapisu dźwięku i mikrofon węglowy. Lee De Forest (1873 - 1961) – amerykański radiotechnik i wynalazca, w 1906 zbudował triodę, co umożliwiło rozwój radia, telewizji, radaru i wreszcie wywarło ogromny wpływ na rozwój komputera. Opracował też metodę optycznego zapisywania dźwięku na taśmie filmowej.
Późniejsze lata przyniosły dalsze zastosowania zdobytej już wiedzy: użyto ultradźwięków do obrazowania medycznego, powstały systemy sonarowe, rozwinęła się defektoskopia i wiele innych. Akustyka stała się dziedziną multidyscyplinarną, a nowe technologie często pociągają za sobą potrzebę dalszych badań akustycznych.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz