Akustika

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search

Akustika on mehaanika haru, mis uurib mehaaniliste lainetega seotud nähtusi gaasides, vedelikes ja tahkistes. Seejuures hõlmab akustika tavapärasemate helinähtuste kõrval ka teemasid nagu mehaanilised võnkumised, vibratsioonid, infraheli (sagedus alla 16 Hz) ja ultraheli (sagedus üle 20 kHz).

Sõna "akustika" tuleneb kreeka sõnast ἀκουστικός (akoustikos), mis tähendab "kuulmisest või kuulmise jaoks, valmis kuulama"[1] ja teisalt sõnast ἀκουστός (akoustos), "kuuldud, kuuldav",[2] mis omakorda tuleneb tegusõnast ἀκούω (akouo), "Mina kuulen".[3]

Mõnikord kasutatakse kõnekeeles väljendit: hea/suurepärase akustikaga ruum. Mida sel juhul aga üldiselt mõeldakse on see, et ruum on ehitatud sellisena, et tema akustilised omadused sobivad erinevate helisündmuste läbiviimiseks. Vastavat ruumide sobivust ja sobivaks planeerimist käsitleb akustika allharu arhitektuuriakustika ja täpsemalt ruumiakustika.

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Akustika ajalugu on suures osas mehaanika ja veel üldisemalt füüsika ning tehnika arengu ajalugu. Esimeste kirjalike allikate põhjal hakati helinähtuste kohta seletusi välja pakkuma juba antiikajal. Siiski oli vaja olulisi edusamme nii teoorias, kui mõõtmisvahendites, et vastata teaduslikult arvestataval tasemel fundamentaalsetele küsimustele heli tekkest, tema levimisest ja tajumisest.

Helide tekke uurimise ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Plaadil poognaga Chladni mustrite tekitamine

Akustika nagu paljude teadusvaldkondade juuri otsitakse Vana-Kreekast. Enamus allikaid peavad Vana-Kreeka filosoofi Pythagorast esimeseks, kes 6. sajandil eKr leidis seaduspärasi muusikaliste helide tekkimisel. Teatud arusaam helikõrgustest oli juba enne ilmselt enne, aga Pythagorast peetaks helikõrguse ja keelepikkuse vahelise seose esmamärkijaks. Ta vaatles, et kahest pingul keelest on kõrgema heliga neist lühem ja juhul, kui üks keel on teisest kaks korda pikem on tema heli oktavi võrra esimesest madalam.

Galileo Galileid peetakse üheks esimestest, kes sidus helikõrguse võnkumiste sagedusega. Oma 1638. aastal ilmunud teoses "Arutlused ja matemaatilised demonstratsioonid kahest uuest teadusest" arutleb Galilei kehade võnkumiste üle. Võnkumiste sageduse ja helikõrguste vahelise seose arvas Galileo tehes eksperimente pendlite ja pingul keeltega. Pingul keelte võnkumise täpsema kirjelduse au omistatakse pea Galileo kaasaegsele Marin Mersenne'ile. Mersenne esitas 1636 aastal pingul keele võnkumiste kirjeldamiseks Galileoga sarnaseid tähelepanekuid. Mersenne'i peetakse aga esimeseks, kes tegelikult keele võnkesagedust mõõtis. Esimeseks akustikuks võib pidada Joseph Sauveuri, kuna tema pakkus esmakordelt välja nime "akustika" tähistamaks teadust, mis käsitleb helisid. Sauveuri ja John Wallist peetakse esimesteks, kes kirjeldasid osahelide (võnkemoodide) olemasolu pingul keelte võnkumisel. Pingul võnkuva keele ammendava kirjelduse andis 1758. aastal Joseph-Louis Lagrange oma Torino Teaduste Akadeemia toimetistes "Miscellanea Taurinensia".

Varraste võnkumise esmakirjeldajateks peetakse Eulerit (1744) ja Daniel Bernoullit (1751). Palju hilisem plaatide võnkumise analüütiline kirjeldamine põhines ühe väljapaistvaima eksperimentaalakustiku, sakslase Ernst Chladni eksperimentidele. Chladni plaatide mustreid kirjeldava diferentsiaalvõrrandi pakkus välja Sophie Germain aastal 1815. Õiged rajatingimused lisas alles 1850 Gustav Kirchhoff.

Joonis ajalooliselt olulisest katseseadmest helilevi uurimises: Robert Boyle'i vaakumpump

Helide levimise uurimise ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Juba Aristoteles arvas, et heli levib õhu liikumise teel. Samas on see õhu liikumine helilainete levil imeväikese amplituudiga ja seega palja silmaga raskesti vaadeldav. Seetõttu pakuti välja ka teisi teooriaid. Prantsuse filosoof Pierre Gassendi arvas, et heli tekitav keha annab välja joa väikesi osakesi, mis kõrva jõudes tajutakse helina. Seega oli kaks põhimõtteliselt erinevat teooriat: heli levib õhus nagu lained vee pinnal või heli levib mingi edasikandva osakese toel. Kahe teooria tõesuse testiks said katsed vaakumpumbaga. Laineteooria nimelt nõuab õhu olemasolu helide levimiseks. Juhul, kui õhk eemaldada, siis ei tohiks heli edasi levida. Teisalt, kui heli levib kandvate osakeste vahendusel, siis levib ta ka vaakumis. Robert Boyle'i peetakse esimeseks edukaks vaakumpumbaga katse läbiviijaks, kes jälgis heli intensiivsuse langust õhurõhu vähenedes. Seega, näitas tema läbiviidud katse selgelt, et heli kandub õhus edasi lainena.

Heli mitte silmapilkset levimist õhus teati ilmselt ammu enne esimesi katseid helikiiruse mõõtmiseks. Teadaolevalt oli üks esimesi katsetajaid aastal 1635 Gassendi. Ühed esimestest arvestatava täpsusega katsetest helikiiruse määramiseks õhus viisid läbi Prantsuse Teaduste Akadeemia liikmed aastal 1738. Katses mõõdeti kahuri tulistamisel helilaine hilinemisaega eri kaugustel võrreldes nähtava plahvatusega kahuritorus. Kuivas õhus temperatuuril 0 °C tuulevaikse ilmaga saadi tulemuseks 337 m/s. Ühe esimestest katsetest helikiiruse mõõtmiseks tahkistes tegi 1808. aastal prantsuse füüsik Jean Baptiste Biot kasutades 1000 m pikkust raudtoru. Mõõtes õhus ja metallis levinud helilainete vahelist viiteaega järeldas Biot, et metallis levib helilaine kordades kiiremini, kui õhus. Vees (Genfi järves) mõõtsid teadaolevalt esmakordselt helikiirust Charles Sturm ja Jean-Daniel Colladon 1826. Tulemuseks 8 °C vees said nad c=1435 m/s (tänapäeval analoogsetes oludes oodatav c=1439 m/s).[4]

Helide taju uurimise ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

Ajalooliselt on peamine helide tajumise seisukohast oluline inimese kuuldetaju uurimine. Pärast helikõrguse ja sageduse vahelise seos leidmist 17. sajandil läks veel omajagu aega, et inimese sageduslikku kuuldeulatust uurida. Ühe esimese uurimuse viis 1830. aastal läbi Félix Savart, kes sai tulemuseks 8–24 000 Hz. Järgnevad uurijad Thomas Johann Seebeck, Jean Baptiste Biot, Rudolph Koenig ja Hermann von Helmholtz said alumiseks piiriks väärtusi vahemikus 16–32 Hz. Inimeste individuaalseid erinevusi arvestades on erinevad tulemused arusaadavad. Lisaks kuuldeulatusele endale uurisid esimestena 1870 ka lähedalt seotud minimaalse kuuldavuseks vajaliku heliintensiivsuse suurust August Joseph Ignaz Toepler ja Ludwig Boltzmann.

Esimese helide kuuldavuse teooria autoriks peetakse Georg Ohmi, kes oletas, et kõik muusikalised toonid tulenevad kindla sagedusega harmoonilistest vibratsioonidest. Muusikalised helid koosnevad, aga peamiselt murdarvuliste sagedustega lihtsatest toonidest. Ohm oletas veel, et inimkõrv on igas helis võimeline tajuma teda moodustavaid toone analoogselt matemaatikast tuntud Fourier' reana esitamisena. Ohmi välja pakutud teooria tekitas palju järgnevaid uuringuid antud valdkonnas. Üks olulisemaid nende hulgas oli Helmholtz, kelle 1867 ilmunud "Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik" on üks väljapaistvaimaid saavutusi akustikas üldse. Selles teoses esitas Helmholtz esimese detailse kõrva toimimist kirjeldava teooria ja andis teoreetilise aluspõhja Ohmi kirjeldatule.

Valdkonnad[muuda | muuda lähteteksti]

Akustika harud ja uurimisvaldkonnad: [5]

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Akoustikos Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, at Perseus
  2. Akoustos Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, at Perseus
  3. Akouo Henry George Liddell, Robert Scott, A Greek-English Lexicon, at Perseus
  4. J.W.S Rayleigh (1945). The Theory of Sound. Dover.
  5. ENE, 1. kd, 1985, lk 118

Allikad[muuda | muuda lähteteksti]