Akustik

Akustik (fra det græske ἀκούειν (udtales: "akuein"), "at høre" eller akoustikós , "vedrørende hørelsen") er studiet af lyd og dens udbredelse. Inden for videnskaben er en lang række relaterede aspekter inkluderet, såsom oprindelse og generation, formering, påvirkning og analyse af lyd, dens opfattelse af øret og virkningen på mennesker og dyr. Akustik er et tværfagligt emne, der bygger på viden fra talrige specialområder, herunder fysik , psykologi , kommunikationsteknik og materialevidenskab . Akustik er også (fuzzy) opdelt i tre underområder: ^[1]

• Fysisk akustik (ofte bare omtalt som "akustik") omfatter især delområder inden for klassisk mekanik ,
• Fysiologisk akustik beskæftiger sig med lydabsorbering og lydoverførsel i høringsorganerne og
• den psykologiske akustik konverteringen af ​​den akustiske nervestimulering til hørselsfornemmelsen.

De vigtigste anvendelser af akustik omfatter forskning i og reduktion af støj , bestræbelserne på at skabe en behagelig lyd eller at transmittere akustisk information såsom en tone . Derudover er brug af lyd til diagnose eller til tekniske formål en vigtig anvendelse af akustik.

historie

En af de første systematiske optagelser med akustik var introduktionen af tonesystemer og stemninger i musikken i det 3. årtusinde f.Kr. I Kina . Fra den vestlige antik er en videnskabelig undersøgelse af akustik blevet overleveret af blandt andre Pythagoras fra Samos (ca. 570–510 f.Kr.), der matematisk analyserede forholdet mellem strenglængde og tonehøjde i monokorden , nogle af de fund, der tilskrives ham, såsom Pythagoras i smedjen , men er mere en legende. Chrysippus af Soli (281-208 f.Kr.) erkendte den bølge karakter af lyd ved at sammenligne den med bølger på overfladen af vandet. Den romerske arkitekt Vitruvius (ca. 80-10 f.Kr.) analyserede lydens udbredelse i amfiteatre og antog lydens udbredelse som en sfærisk bølge . Han beskrev også Helmholtz-resonators virkemåde for absorption af lavfrekvent lyd.

Helmholtz resonator af messing fra omkring 1900

Leonardo da Vinci (1452–1519) erkendte blandt andet, at luft er nødvendig som et medium for lydens udbredelse, og at lyden formerer sig med en begrænset hastighed. Marin Mersenne (1588-1648) var den første information om en eksperimentelt bestemt hastighed af lyd, sammen med andre videnskabelige resultater om karakteren af lyden. Galileo Galilei (1564–1642) beskrev forholdet mellem tonehøjde og frekvens, hvilket er vigtigt for akustikken. Joseph Sauveur (1653–1716) introducerede udtrykket "akustik" for teorien om lyd. Isaac Newton (1643–1727) var den første til at beregne lydens hastighed på grundlag af teoretiske overvejelser, mens Leonhard Euler (1707–1783) fandt en bølgeligning for lyd i den form, der bruges i dag. Ernst Florens Friedrich Chladni (1756–1827) betragtes som grundlæggeren af ​​moderne eksperimentel akustik; han fandt de chladniske lydfigurer , som gør naturlige vibrationer af plader synlige.

I begyndelsen af ​​1800 -tallet begyndte en intensiv beskæftigelse med akustik, og mange forskere dedikerede sig til emnet. For eksempel fandt Pierre-Simon Laplace (1749-1827) lydens adiabatiske adfærd, Georg Simon Ohm (1789-1854) postulerede hørelsens evne til at nedbryde lyde i grundtoner og harmoniske, og Hermann von Helmholtz (1821– 1894) forsket i toneopfattelse beskrev Helmholtz -resonatoren og John William Strutt, 3. baron Rayleigh (1842-1919) udgav "Theory of Sound" med talrige matematisk baserede fund vedrørende lyd, dens oprindelse og udbredelse.

I anden halvdel af 1800-tallet udvikles første akustiske måle- og registreringsenheder, Phonautograph af Édouard-Léon Scott de Martinville (1817-1897) og senere fonografen af Thomas Alva Edison (1847-1931). August Kundt (1839–1894) udviklede Kundt -røret og brugte det til at måle graden af lydabsorbering .

Fra begyndelsen af ​​det 20. århundrede blev den eksisterende teoretiske viden om akustik meget udbredt. Sådan udviklede den videnskabelige rumakustik, grundlagt af Wallace Clement Sabine , sigte på at forbedre rummets hørbarhed. Opfindelsen af ​​elektronrøret i 1907 muliggjorde en udbredt brug af elektroakustisk transmissionsteknologi. Paul Langevin (1872–1946) brugte ultralyd til teknisk placering af objekter under vand ( sonar ). Heinrich Barkhausen (1881–1956) opfandt den første enhed til måling af volumen . Videnskabelige tidsskrifter er udgivet siden omkring 1930, der udelukkende er dedikeret til emner relateret til akustik.

En af de vigtigste akustikapplikationer i første halvdel af det 20. århundrede var reduktion af støj, f.eks . Blev lyddæmperen til motorkøretøjers udstødningssystem løbende forbedret. Med introduktionen af jetmotorer omkring 1950 og den støjreduktion, der var nødvendig for en vellykket brug, udviklede man sig til aeroakustik , som hovedsageligt blev grundlagt af Michael James Lighthills arbejde (1924–1998).

Delområder

Udstødningsdæmper på en bil

Et stort antal forskellige aspekter behandles inden for akustik:

• Aeroakustik beskæftiger sig med udvikling og spredning af aerodynamisk genererede lyde og reduktion heraf
• I medicin bruges audiometri til at måle parametre for den menneskelige hørelse
• Bioakustik beskriver forskningsfeltet inden for dyreforsøg
• Elektroakustik beskæftiger sig med optagelse, behandling og gengivelse af lyd
• Køretøjsakustik behandler alle spørgsmål vedrørende interiør og ekstern støj i køretøjer
• Hydroakustisk beskæftiger sig med hydrofoner
• Støjforskning omhandler alle aspekter af støjgenerering, reduktion og opfattelse
• Musikalsk akustik beskæftiger sig med generering og opfattelse af musik
• Optoakustik
• Oceanic akustik som en del af havforskning omhandler signaler fra den undersøiske verden af havene , den Alfred Wegener Instituttet Helmholtz Center for Polar og Marine Research (AWI) i Bremerhaven opretholder en tilsvarende arbejdsgruppe ^{[2] [3]}
• Fonetik beskæftiger sig med sprogbehandling og kommunikation
• Fysisk akustik beskæftiger sig med det fysiske fundament i akustik
• Psychoacoustics beskæftiger sig med emner relateret til lydopfattelse og den subjektive vurdering af lyd og objektivisering af subjektiv opfattelse, i musikvidenskab også ved hjælp af musikpsykologi
• Rumakustik og bygningsakustik omhandler spørgsmålene om lydoverførsel i bygninger og lydforstærkning af auditorier
• Teknisk akustik omhandler støj fra maskiner og systemer
• Thermoacoustics omhandler interaktionen mellem termisk energi og akustiske vibrationer

Analytiske metoder

Frekvensanalyse

Udover hensynet til tidsgennemsnitet lydfelt og lydenergimængder måles den tidsmæssige afbøjning ofte, f.eks. B. tryksignalet og underkastet en frekvensanalyse . For forholdet mellem frekvensspektret opnået på denne måde og lyden, se lydspektrum . Den tidsmæssige ændring inden for en lydhændelse er tilgængelig gennem kortsigtet Fourier-transformation . Ændringerne i spektret under processen med lydstråling, forplantning og måling eller opfattelse er beskrevet af den respektive frekvensrespons . Frekvensvægtningskurver tager højde for ørets frekvensrespons .

Resonansanalyse

Den akustiske resonansanalyse evaluerer de resulterende resonansfrekvenser, når et legeme sættes i vibration af en impulsiv excitation såsom et slag. Hvis kroppen er et oscillerende system, så det er specifikt for en bestemt periode med karakteristiske frekvenser, vibrerer kroppen i de såkaldte naturlige egenskaber eller resonansfrekvenser - korte resonanser.

Ordre analyse

Ved ordreanalyse analyseres støj eller vibrationer fra roterende maskiner I modsætning til frekvensanalyse er støjens energiindhold ikke afbildet mod frekvensen, men mod ordren. Ordren svarer til et multiplum af hastigheden.

Laboratorier

Lav refleksionsrum (frit feltrum) i TU Dresden - 1000 m ³ samlet volumen

Lavt refleksionsrum

Et anekoisk rum , undertiden forkert kaldet et "anekoisk" rum, har absorberingsmateriale på loft og vægge, så der kun forekommer minimale refleksioner og forhold som i et direkte felt D (frit felt eller frit lydfelt) hersker, med lydtrykket kl. 1 / r afstanden fra en punktkilde til lyd falder. Sådanne rum er velegnede til stemmeoptagelser og til forsøg på at lokalisere lydkilder. Hvis den lydintensitet, der passerer vinkelret gennem denne overflade, måles på en imaginær konvolut omkring lydkilden, kan lydkraften fra kilden bestemmes. Et anekoisk rum med et lydreflekterende gulv omtales som et semi-frit feltrum ved siden af ​​frifeltrummet.

Åbent rum

Et frilandsrum er det specielle design af et anekoisk rum. Her er gulvet dog også dækket med absorberende materiale. Da gulvet som følge af denne foranstaltning ikke længere kan gåes på, placeres der normalt et lydgennemtrængeligt gitter over det, hvilket giver adgang til måleobjektet. Sådanne rum bruges i akustisk måleteknologi for at kunne udføre målrettede lydkildeanalyser - også under måleobjektet.

Efterklangslokale

Sal på TU Dresden

Et efterklangslokale er derimod konstrueret på en sådan måde, at refleksioner af samme størrelse fra alle retninger mødes på et hvilket som helst tidspunkt i lydfeltet. I en ideel efterklangsrum er der derfor den samme lydtryk på hvert sted med undtagelse af området direkte omkring lydkilden (se efterklang radius ). Et sådant lydfelt kaldes et diffust felt . Da lydstrålerne indfalder fra alle retninger på samme tid, er der ingen lydintensitet i et diffust felt. For at undgå resonans i et efterklangslokale er det generelt bygget uden vægge og lofter, der er parallelle med hinanden. Rummet kan kalibreres ved hjælp af efterklangstidsmålinger eller reference lydkilder. Her bestemmes forskellen mellem lydtrykniveauet målt på ethvert sted i rummet, langt nok uden for efterklangsradius, og lydeffektniveauet for en lydkilde. Denne forskel er frekvensafhængig og forbliver uændret, så længe rummets struktur og væggenes absorption ikke ændres. I et efterklangslokale kan lydeffekten af en kilde derfor teoretisk bestemmes med en enkelt lydtryksmåling. Dette er f.eks. B. meget nyttig til spørgsmål inden for lydisolering .

Akustik i naturen

Akustik i levende ting

De fleste af de højere dyr har sans for at høre . Lyd er en vigtig kommunikationskanal, fordi den har en praktisk umiddelbar effekt på afstand . Med vokaliseringer får dyrene et middel til at markere deres territorium , søge efter partnere eller flokke , finde bytte og kommunikere stemninger, advarselssignaler osv. Det menneskelige høreområde ligger mellem høretærsklen og smertetærsklen (ca. 0 dB HL til 110 dB HL).

Fonologi

Når man genererer lyde inden for fonologiens rammer , sondres der generelt mellem stemmede og ikke -stemte fonemer . Med de stemmede fonemer, som kaldes vokaler , genereres de "rå" lyde i strubehovedet ved vibrationer i stemmebåndene , som derefter moduleres i svælget og næsehulen af forskellige vilkårligt påvirkelige eller uforanderlige individspecifikke resonansrum . I stemmeløse fonemer hviler konsonanterne , stemmebåndene, hvorved lyden skabes ved at modulere luftstrømmen. Ved hviskning dannes selv vokalerne kun ved at modulere spektret af støj fra en tvungen luftstrøm, hvor stemmebåndene hviler.

Sprog træning

Akustikprofessionelle omtales som akustikere eller akustiske ingeniører. De engelske jobtitler er akustisk ingeniør eller akustiker. Den sædvanlige tilgang til dette arbejdsområde er en grad i fysik eller en tilsvarende ingeniørgrad. Høreapparatakustikere arbejder inden for medicinsk teknologi og bruger både fysisk og medicinsk ekspertise i deres erhverv.

litteratur

• Friedrich Zamminer: Musik og musikinstrumenter i deres forhold til lovene om akustik . Ricker, 1855.   On-line
• Wilhelm von Zahn : Om den akustiske analyse af vokallydene (= program for Thomas -skolen i Leipzig 1871). A. Edelmann, Leipzig 1871.
• Dieter Ullmann: Chladni og udviklingen af ​​akustik fra 1750-1860 . Birkhäuser, Basel 1996, ISBN 3-7643-5398-8 (Science Networks Historical Studies 19).  
• Hans Breuer: dtv-Atlas Physik, bind 1. Mekanik, akustik, termodynamik, optik . dtv-Verlag, München 1996, ISBN 3-423-03226-X .  
• Heinrich Kuttruff: akustik . Hirzel, Stuttgart 2004, ISBN 3-7776-1244-8 .  
• Gerhard Müller og Michael Möser: Lommebog over teknisk akustik . 3. Udgave. Springer, Berlin 2003, ISBN 3-540-41242-5 .  
• Ivar Veit: Teknisk akustik . Vogel-Verlag, Würzburg 2005, ISBN 3-8343-3013-2 .  
• Jens Ulrich og Eckhard Hoffmann: Høreakustik - teori og praksis . DOZ-Verlag, 2007, ISBN 978-3-922269-80-9 .  

Weblinks

Commons : Akustik - samling af billeder, videoer og lydfiler

Wiktionary: Akustik - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Wikibooks: Grundlæggende om akustik - lærings- og undervisningsmaterialer

• Introduktion til rumakustik og lydteknologi
• Definition af udtryk fra akustik og lydforstærkningsteknologi
• Musikalsk akustik (PDF; 264 kB)
• Akustik-hørelse-psykoakustik
• Akustik og musik - indeholder yderligere links med grafiske og lydeksempler
• Ordliste akustik med tekniske termer (PDF; 1516 kB)
• Samling af specialartikler inden for lydteknik
• Oplysninger fra Federal Employment Agency om erhvervet som akustiker eller akustisk ingeniør

Individuelle beviser

1. ^ H. Backhaus: Akustik (Håndbog i fysik, bind 8), 1927; Uddrag fra genoptryk online: 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. marts 2013, ISBN 978-3-642-47352-4 , s. 477.
2. ↑ awi.de , Oceanic Akustik (marts 4, 2017)
3. ↑ deutschlandfunk.de , hørespil 17. december, 2017 I mørke lad mig dvæle - Lieder aus der Finsternis (marts 4, 2017)