Аку́стика (від — чутний, такий, що сприймається на слух), у вузькому значенні слова — вчення про звук, тобто про пружні коливання та хвилі у газах, рідинах і твердих тілах, чутні людським вухом (частоти таких коливань належать діапазону від 16 Гц до 20 кГц); у широкому сенсі — галузь фізики, що досліджує властивості пружних коливань та хвиль від найнижчих частот (умовно, від 0 Гц) до гранично високих частот 1012 — 1013 Гц, їх взаємодії з речовиною і застосування одержаних знань для вирішення широкого кола інженерних проблем. Нині терміном акустика також часто характеризують систему звуковідтворювальної апаратури.
Знання закономірностей генерації хвиль, їх поширення в різних середовищах, мають велике значення практично в усіх галузях людської діяльності. Для загальної характеристики ролі акустики в сучасному світі, дуже вдалим є створене відомим ученим-акустиком (R. Bruce Lindcey) графічне зображення, знане як «ліндсеївське колесо акустики». У ньому виділено чотири галузі людської діяльності, в яких акустичні знання є важливими: науки про життя, науки про Землю, мистецтво, інженерія. Центральне місце в цій діаграмі посідають основоположні дослідження в акустиці, які об'єднано загальною назвою - фізична акустика.
Коротка історична довідка
Змістовний аналіз історії формування акустики, як наукової дисципліни, представлено в багатьох роботах різних авторів. Відносно короткий, але глибокий опис історії становлення акустики, представлено у роботі відомого акустика Р. Б. Ліндсея (R. Bruce Lindsey)R. Bruce Lindsey The Story of Acoustics. // The Journal of the Acoustical Socity of America, vol.39, issue 4, 1966, p.629-644. Формування акустики, як важливого розділу сучасної фізики, почалося задовго до початку писемної історії. Розуміння того, що звук виникає під час биття предмету об предмет, та коливаннях різних тіл, є одним із найдавніших елементів у формуванні наукової картини світу. Важливим етапом у розвитку акустики, було виникнення музики. Деякі археологічні знахідки, вказують на виготовлення людиною музичного інструменту з кістки з боковими отворами, майже сорок тисяч років тому. Вважають, що перші наукові дослідження природи музичних звуків, було проведено грецьким філософом Піфагором у 6 столітті до нашої ери. Його дослідження пов'язано з вивченням звуків, що виникають під час коливання струн. Він встановив залежність між довжиною струни та частотою коливань. Дослідження коливань струн тривало у школі Піфагора і, визначені кількісні співвідношення між частотами приємних для слуху звуків, було внесено у загально філософські схеми гармонії у світі. Важливі спостереження відносно джерел музичних звуків, зафіксовано у Китаї. Майже за дві тисячі років до Нашої Ери тут було виготовлено систему джерел звуку, що відповідали поділу октави на дванадцять інтервалівD. R. Raichel The Science and Applications of Acoustics. — Springer, 2006, 660 p. — ISBN 0-387-30089-9. У цій монографії вказано на перші акустичні рекомендації під час будівництва житла, що містяться у Старому Заповіті.
Дослідження особливостей сприйняття музики слухачами, підштовхнуло пошук відповідей на певні питання, що стосувалися фізики звуку. Так, Аристотелю, належить досить чітке висловлювання відносно процесу поширення звуку, як передавання стану стиснення-розтягу від однієї частинки повітря до іншої. Йому належать також змістовні міркування, відносно природи людського голосуЛосев А. Ф. История античной эстетики. Т.4. Аристотель и поздняя классика — М.: Искусство, 1975. — 672 с. Однак, він же висловлював хибне твердження про те, що високочастотні звуки поширюються швидше, ніж низькочастотні.
Початок нашої ери характеризується досягненням розуміння таких акустичних явищ, як інтерференція, відбиття звуку, луна. На основі знання про ці явища формувалися рекомендації для будівництва античних театрів, відносно акустичних властивостей яких, зараз поширюється багато легенд. У наш час виконано детальний аналіз акустичних властивостей відкопаного археологами 1881 року театру в Епідаврі, що вміщав до 15 тисяч глядачів. Дослідження показали, що архітектура театру формувала певний акустичний фільтр, котрий перешкоджав поширенню низькочастотних складових звуку (основні компоненти стороннього шуму) і сприяв поширенню високочастотних складовихPhilip Ball Why the Greeks could hear plays from the back row // Nature, 23 March 2007, doi 10.138/news070319-16. Зараз серед акустиків, можна почути думку, що така акустична знахідка була випадковою і, відтак, повторювалася під час спорудження інших театрів. Наукові основи архітектурної акустики було створено лише на початку двадцятого століття.
Оцінка ролі піфагорійців у різних джерелах різниться і, часом, базується на міфах, а не дійсних свідоцтвах. Формування сучасних уявлень про особливості коливальних процесів, розпочалося роботами Галілея. Ним виконано значний обсяг досліджень з визначення зв'язку між фізичними та геометричними параметрами струн та характеристиками звуків, що виникають у разі їх коливання. Ним виявлено явище ізохронізму (незалежності періоду коливань маятника від амплітуди, хоча він помилково вважав, що це явище відбувається за будь-яких значеннях амплітуд. Ним також спостерігалося явище резонансу. Взагалі, кінець шістнадцятого та початок сімнадцятого століть знаменує період значного інтересу до питань коливання струн. Крім Галілея дослідження проводилися і іншими дослідниками, які інколи своїми публікаціями випереджали Галілея. Суттєві досягнення, стосовно визначення зв'язку між частотою та висотою тону, було отримано французьким вченим Ж. Совером. Саме він, ввів 1701 року у наукове використання, термін акустикаХрамов Ю. А. Савер Жозеф (Sauver Joseph) // Физики. Биографический справочник. Изд. 2-ое, Испр. и дополн. — М.: Наука,1983. — 400 с. Ним також було введено терміни: вузлові точки та гармонійні тони.
Як і стосовно інших розділів фізики, можна сказати що з оприлюдненням Ньютонівських«Начал», почалася нова ера у розвитку акустики. Дослідження проводилися на основі нових методологічних засад стосовно пошуку наукових результатів та їх обґрунтування.
Велике значення для подальшого розвитку математичних методів дослідження в акустиці, мала Дискусія про струну, в якій узяли участь Даніель Бернуллі, Жан Лерон д'Аламбер, Леонард Ейлер, Жозеф-Луї Лагранж. Предметом дискусії було два розв'язання хвильового рівняння для струни — розв'язання д'Аламбера у вигляді біжучих хвиль, та розв'язання Бернуллі, у вигляді суперпозиції стоячих хвиль. Ейлер заперечував можливість представити будь-яку функцію, у вигляді низки тригонометричних функцій. Дискусію частково було пов'язано з тим, що її учасники на той час, не знали техніки обчислення коефіцієнтів розкладуЮшкевич А. П. История математики в 3-х томах. Том 3. Математика XVIII столетия. — М.: Наука,1972. — С. 314—315.. Обґрунтування розв'язання Бернуллі, було одержано лише Фур'є. Дискусія відіграла значну роль у розвитку методів розв'язання не лише завдань акустики, а розвитку математичної фізики у цілому.
Певним підсумком розвитку акустики у XVIII столітті, можна вважати появу першої монографії з акустикиChladni E. Die Akustik . Leipzig 1802, französische Übersetzung: Traite d’ acoustique, Paris 1809 und in: Neue Beiträge zur Akustik, Leipzig 1817, автором якої був видатний експериментатор Ернст Хладні. Перше видання цієї книги стосується 1802 року. Багато з представлених у ній спостережень, знайшли наукове пояснення значно пізніше. Сама книга виглядає дещо специфічно. У ній немає жодної формули, без яких надалі в акустиці, уже неможливо обійтися. Використання математичного моделювання на основі точно визначених фізичних понять, стало потужним засобом одержання нових знань в акустиці завдяки працям Ейлера, Лагранжа, д'Аламбера і Д. Бернуллі. Підсумком процесу дужчого розвитку акустичних досліджень у XIX столітті, був друк (1877—1878 рр.) двотомного видання Теорія звуку лорда Релея. Цей твір існує у російськомовному перекладі і до сьогодні, є важливим джерелом знань для вивчення акустики (див. список літератури).
Активна дослідницька діяльність багатьох учених у XIX та XX століттях сформувала сучасну акустику, як науку, що охоплює широку гаму явищ, пов'язаних зі створенням, поширенням хвиль та взаємодією їх зі середовищем. В акустику прийшла диференціація, сформувалися окремі наукові та інженерні дисципліни. Історичні дослідження теж стали зосереджуватися на окремих дисциплінах. До того-ж, детальний історичний аналіз, часто породжує видання великого обсягу. Так, аналіз історії розвитку російської гідроакустикиO. F. Godin, D. R. Palmer History of Russian Underwater Acoustics. World Scientific,2008. — 1247 p. — ISBN 981-256-825-5 посів понад тисячу сторінок. Короткий аналіз історичних фактів у розвитку сучасної акустики за різними напрямками, міститься в акустичній енциклопедіїTomas D. Rossing (ed.) Springer Handbook of Acoustics. — Springer,2007. — 1182 p. ISBN 0-387-30425-0
Визначення швидкості звуку Уявлення про скінченну величину швидкості звуку на основі спостереження за явищем луни та затримки появи звуку після пострілу гармати, сформувалося досить давно. Історія -ж визначення величини швидкості звуку у повітрі, є досить довгою та повчальною. Відносно визначення піонера у вимірюванні швидкості звуку, у літературі є певні розбіжності. Називаються прізвища Гасенді та Мерсенна. Обидва дослідники аналізували постріл гармати, фіксуючи інтервал часу після сполоху під час пострілу та часом приходу звуку. За даними Гассенді швидкість становила 478 м/c. Морен одержав дещо точнішу оцінку — 450 м/c. Порівняння спостережень за пострілами гармати і рушниці давали можливість Гассенді зробити висновок про незалежність швидкості звуку від частоти. Серію ретельно організованих дослідів з вимірювання швидкості звуку, було проведено у Флорентійській академії досліду (Академія дель -Чіменто) до 1660 року. Виміряна за звуком від гармати на відстані в одну милю швидкість звуку, дорівнює 1077 (1 метр дорівнює 3,07843… Паризьких футів). Одержана оцінка швидкості 350 м/c, залишалась еталоном для експериментаторів більше століттяB.S.Finn Laplace and the Speed of Sound //ISIS, vol.55, No 1, 1964, pp.7-19.. Слід відзначити, що такі вимірювання не враховували зміну стану атмосфери (температуру, тиск, вологість, швидкість вітру). Вивчення впливу цих факторів почалося лише у XIX столітті.