Słowo akustyka pochodzi od greckiego akouein, co oznacza „słuchać”. Od roku 1802, w którym wydano książkę E. Chladniego (1756 – 1827) w całości poświęconą drganiom i dźwiękom, akustykę traktuje się jako integralną część fizyki, na równi z optyką. Od książki Chladniego minęło 200 lat i teraz akustyka jest samodzielną dziedziną wiedzy. Rozrosła się ona na kształt drzewa z wieloma gałęziami (rozdział 20). Łączy je pojęcie fali, a korzeniami akustyki są podstawowe zjawiska falowe, którym poświęcona jest ta książka.

Wrażenie wywołane falą akustyczną nosi nazwę dźwięku. W rzeczywistości oznacza to muzykę, hałas i tysiące innych dźwięków, którym przypisać można swoiste doznania. Różnicujemy je dodatkowo przymiotnikami (piękny, brzydki, …), o różnym stopniu intensywności (bardzo, nieco, …). Nienaruszone niczym wrażenie piękna muzyki należy przenieść z estrady do każdego miejsca Sali koncertowej, a dokuczliwość hałasu zminimalizować we wszystkich mieszkaniach. W książce pokazujemy, jak kształtować wrażenie dźwiękowe przez zmiany parametrów fizycznych fali.

W książce piszemy o zjawiskach falowych, które wiążą się z:

• Wrażeniami dźwiękowymi (rozdz.3, 4),

• Propagacją fal akustycznych w ośrodku (rozdz. 2, 5, 6, 17 - 19)

• Oddziaływaniem tych fal z brzegami ośrodka (rozdz. 10 -13, 15, 16),

• Superpozycją fal (rozdz. 7 -13).

A to bardziej szczegółowe omówienie rozdziałów:

1. Wstęp: obszar badań i metodologia akustyki,

2. Czym jest fala akustyczna?: parametry fali akustycznej,

3. Wysokość i barwa: częstotliwość, wysokość, interwały i skale muzyczne, barwa, muzyka, hałas,

4. Głośność: poziom ciśnienia i poziom natężenia,

5. Fala płaska: kinematyka i dynamika cząstki akustycznej, energia fali, prędkość propagacji,

6. Fala kulista: fala bieżąca i uwiązana, pole bliskie i dalekie, źródło bezkierunkowe i kierunkowe,

7. Superpozycja sygnałów: sygnały niekoherentne i koherentne, dudnienia, maskowanie sygnałów

8. źródła dyskretne: dwa źródła niekoherentne i koherentne w różnych fazach, dipol akustyczny, kierunkowość układu wielu źródeł,

9. Źródła rozciągłe: źródło liniowe – grzmot o raz hałas drogowy rodło powierzchniowe – hałas miasta oraz membrana głośnika,

10. Dyfrakcja: Zasada Huygensa, dyfrakcja na otworze i sferze – lokalizacja źródła, dyfrakcja na półpłaszczyźnie – redukcja hałasu,

11. Podłużna fala stojąca: węzły i strzałki w dźwiękowodzie, fale harmoniczne, instrumenty dęte,

12. Poprzeczna fala stojąca: węzły i strzałki na strunie, fale harmoniczne, instrumenty strunowe i perkusyjne, fale materii,

13. Układy akustyczne: dźwiękowody o zmiennym przekroju poprzecznym, tłumiki, częstotliwości rezonansowe,

14. Rezonator Helmholtza: stany przejściowe i stan ustalony, rezonator jako źródło dźwięku i jako pochłaniacz,

15. Odbicie i transmisja: współczynniki odbicia i transmisji, ściana gruba i cienka, układ warstwowy, dopasowanie impedancyjne, tor akustyczny, echo,

16. Dźwięk w pomieszczeniu: stany przejściowe i stan ustalony, czas pogłosu, pomieszczenie jedno-, dwu- i trójwymiarowe,

17. Rozpraszanie i refrakcja: prawo Snella, refrakcja i rozpraszanie na turbulencjach atmosferycznych, sfera ciszy,

18. Ruch źródła: efekt Dopplera, efekt unoszenia, dźwiękowa fala uderzeniowa,

19. Pochłanianie w powietrzu: pochłanianie klasyczne i molekularne,

20. Gałęzie akustyki,

21. Indeks rzeczowy i indeks nazwisk.

Każdy rozdział rozpoczyna się kilkuzdaniowym wprowadzeniem. Pojawia się tam często opis prostego i powszechnie znanego zjawiska, takiego jak np. trząśnięcie drzwi. Zakończenie każdego rozdziału jest nie tylko zwięzłym streszczeniem, lecz również odniesieniem do rozdziałów dalszych.

Galileusz po raz pierwszy zastosował język matematyki do opisu praw przyrody. W tej książce idziemy jego śladami. Matematyka to coś więcej niż zwięzły i jednoznaczny język. Leibniz napisał, Dum Deus calculat, mundus fit, co oznacza, gdy Pan Bóg liczy, świat staje. W tym również świat dźwięków. Matematyka pozwala posuwać się długim łańcuchem kolejnych przekształceń, od fundamentalnych aż do wniosków sprawdzalnych pomiarem.

Pierwsze cztery rozdziały tego podręcznika wymagają tylko umiejętności różniczkowania i całkowania. W dalszych rozdziałach konieczna jest znajomość liczb zespolonych. Do każdego rozdziału dołączono ćwiczenia. Większość z nich ma charakter rachunkowy, którego celem jest oswojenie Czytelnika z zakresem zmienności parametrów opisujących najczęściej spotykane źródła i fale akustyczne.

Akustyka dotyka wielu dziedzin nauki, niekiedy odległych od swojej matki – fizyki: architektury, biologii, chemii, ekologii, elektroniki, filozofii, fizjologii, geofizyki, informatyki, lingwistyki, matematyki, mechaniki, medycyny, meteorologii, muzyki, oceanografii, psychologii czy urbanistyki.

Spis treści

2. Wstęp

3. Natura fali akustycznej

   1. Przenoszenie stanu zaburzenia

   2. Energia fali

Komentarz do rozdziału 2

4. Wysokość i barwa dźwięku

   1. Okres i częstotliwość

   2. Interwały muzyczne

   3. Dźwięki złożone

   4. Muzyka

Komentarz do rozdziału 3

Ćwiczenia

5. Głośność dźwięku

   1. Średnie natężenie

   2. Średni kwadrat ciśnienia

   3. Poziom natężenia

   4. Poziom ciśnienia akustycznego

   5. Miary głośności

Komentarz do rozdziału 4

Ćwiczenia

6. Fala plaska

   1. Opis analityczny

   2. Długość i okres fali

   3. Dynamika ruchu cząstki akustycznej

   4. Kinematyka ruchu cząstki akustycznej

   5. Energia fali

   6. Prędkość propagacji fali

Komentarz do rozdziału 5

Ćwiczenia

7. Fala kulista

   1. Opis przybliżony

   2. Opis dokładny

   3. Pole bliskie i dalekie

   4. Źródło bezkierunkowe

   5. Źródło kierunkowe

Komentarz do rozdziału 6

Ćwiczenia

8. Superpozycja fal

   1. Zasada superpozycji

   2. Fale koherentne – stała różnica faz (interferencja)

   3. Fale koherentne – zmienna różnica faz (dudnienia)

   4. Fale niekoherentne

   5. Ruch cząsteczki akustycznej

Komentarz do rozdziału 7

Ćwiczenia

9. Źródła dyskretne

   1. Dwa źródła

   2. Dwa źródła niekoherentne

   3. Dwa źródła koherentne

   4. Kilka źródeł koherentnych

   5. Kilka źródeł niekoherentnych

Komentarz do rozdziału 8

Ćwiczenia

10. Źródła rozciągłe

    1. Źródło liniowe niekoherentne

    2. Źródło powierzchniowe niekoherentne

    3. Źródło liniowe koherentne

    4. Źródło powierzchniowe koherentne

Komentarz do rozdziału 9

Ćwiczenia

11. Dyfrakcja

    1. Zasada Huygensa

    2. Dyfrakcja na otworze

    3. Dyfrakcja na sferze – lokalizacja źródła

    4. Dyfrakcja na półpłaszczyźnie – redukcja hałasu

Komentarz do rozdziału 10

Ćwiczenia

12. Podłużna fala stojąca

    1. Strzałki i węzły

    2. Dźwiękowód obustronnie zamknięty

    3. Dżwiękowód jednostronnie otwarty

    4. Instrumenty dęte

    5. Dźwiękowód obustronnie otwarty

    6. Dźwięki mowy

Komentarz do rozdziału 11

Ćwiczenia

13. Poprzeczna fala stojąca

    1. Fala poprzeczna

    2. Fala na strunie

    3. Instrumenty strunowe

    4. Instrumenty perkusyjne

    5. Fala materii

Komentarz do rozdziału 12

Ćwiczenia

14. Układy akustyczne

    1. Dźwiękowód dwustronnie otwarty

    2. Dźwiekowóc dwustronnie zamknięty

    3. Dźwiękowód jednostronnie otwarty

    4. Tłumik akustyczny

Komentarz do rozdziału 13

Ćwiczenia

15. Rezonator Helmholtza

    1. Drgania nietłumione

    2. Równanie ruchu

    3. Stan ustalony

    4. Stany przejściowe – transjenty

Komentarz do rozdziału 14

Ćwiczenia

16. Odbicie i transmisja

    1. Fala płaska

    2. Układ warstwowy

    3. Tor akustyczny

    4. Fala kulista

Komentarz do rozdziału 15

Ćwiczenia

17. Dźwięk w pomieszczeniu

    1. Fale koherentne w korytarzu

    2. Korytarz – przybliżenie dyfuzyjne

    3. Pomieszczenie – przybliżenie dyfuzyjne

    4. Czas pogłosu

    5. Odstępstwa od dyfuzyjności

Komentarz do rozdziału 16

Ćwiczenia

18. Rozpraszanie i refrakcja

    1. załamanie

    2. Rozpraszanie

    3. Refrakcja w atmosferze

    4. Strefa ciszy

    5. Ekran akustyczny

    6. Dźwiękowoód atmosferyczny

Komentarz do rozdziału 17

Ćwiczenia

19. Ruch źródła

    1. Efekt Dopplera

    2. Efekt unoszenia

    3. Dźwiękowa fala uderzeniowa

Komentarz do rozdziału 18

Ćwiczenia

20. Pochłanianie w powietrzu

    1. Pochłanianie klasyczne

    2. Pochłanianie molekularne

    3. Wypadkowe pochłanianie w powietrzu

Komentarz do rozdziału 19

Ćwiczenia

21. Gałęzie akustyki