Ακουστική

Η ακουστική (acoustics) είναι ο κλάδος της φυσικής που μελετά τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά του ήχου, καθώς επίσης και τις εφαρμογές του. Μεταξύ των άλλων μελετά την παραγωγή, τη μετάδοση, τη λήψη και την αλληλεπίδραση του ήχου με τα διάφορα υλικά μέσα, καθώς επίσης και τις τεχνικές ελέγχου και επεξεργασίας για την εκμετάλλευση του ήχου σε εξειδικευμένες εφαρμογές.

Αρχαιότητα

Η ακουστική έχει συναρπάσει την ανθρωπότητα από την αρχαιότητα. Η ιστορία της ακουστικής μπορεί να θεωρηθεί ότι αρχίζει τον 6ο αι. π.Χ. στην αρχαία Ελλάδα και πιο συγκεκριμένα, με τις μελέτες του Πυθαγόρα και των Πυθαγορείων. Αυτοί κατόρθωσαν να προσδιορίσουν τις σχέσεις που υπάρχουν μεταξύ του μήκους μιας παλλόμενης χορδής και του ύψους του παραγόμενου ήχου. Σε αυτούς επίσης οφείλεται μία από τις πρώτες μουσικές κλίμακες. Οι Πυθαγόρειοι διαχώρισαν τις δύο τυπικές όψεις των σπουδών της ακουστικής: τη μουσική όψη, που αφορά το φυσιολογικό και αισθητικό μέρος της ακουστικής, και τη φυσικομαθηματική όψη, που σχετίζεται με το πειραματικό μέρος. Άλλωστε, η ατελής ακόμα γνώση των κανόνων της ανάκλασης του ήχου φαίνεται από το σχήμα των αρχαιοελληνικών θεάτρων (4ος αι. π.Χ.) και των ελάχιστα διαφορετικών ρωμαϊκών θεάτρων που τα διαδέχτηκαν. 
Ο Μάρκος Βιτρούβιος Πολλίων, Ρωμαίος αρχιτέκτων και μηχανικός που άκμασε τον 1ο π.Χ. αιώνα (70-15π.Χ.), συνέγραψε το περίφημο έργο "De architectura" το οποίο περιέχει, μεταξύ άλλων, πολύτιμες πληροφορίες για την αρχιτεκτονική και τις μηχανικές κατασκευές της εποχής εκείνης, καθώς και προγενέστερων.

Νεότερη εποχή

Μετά από την ελληνορωμαϊκή αρχαιότητα ο Leonardo da Vinci (1452-1519) συνειδητοποίησε ότι απαιτείται αέρας, μεταξύ άλλων, ως μέσο για τη διάδοση του ήχου και ότι ο ήχος διαδίδεται με πεπερασμένη ταχύτητα. Η φυσική μελέτη και ερμηνεία της ακουστικής σημείωσε ουσιαστική πρόοδο με τον Γαλιλαίο (1564–1642) και έναν σύγχρονό του, τον Γάλλο Μαρέν Μερσέν - Marin Mersenne (1588–1648), οι οποίοι προσδιόρισαν πειραματικά τις μαθηματικές σχέσεις μεταξύ συχνότητας, μήκους, τάσης και μάζας μιας παλλόμενης χορδής, συμπληρώνοντας το έργο των Πυθαγόρειων πριν από 2000 χρόνια. Μεταξύ 1630 και 1680, πολλοί ερευνητές μεταξύ των οποίων και ο Μερσέν, διεξήγαγαν πειραματικές μετρήσεις της ταχύτητας του ήχου στον αέρα. Από τότε και έως τον 19ο αι. πολλοί μελετητές αφιέρωσαν τις μελέτες τους στα ακουστικά προβλήματα. Ωστόσο, όλοι περιορίστηκαν κυρίως στη μελέτη του φυσικού φαινομένου και πολύ λιγότερο στη φυσιολογική ακουστική και στην ψυχοακουστική.
Ο Joseph Sauveur (1653-1716) εισήγαγε τον όρο "ακουστική" για τη μελέτη του ήχου, το 1701.
Η μαθηματική θεωρία διάδοσης του ήχου μπορεί να θεωρηθεί ότι αρχίζει με τον Isaac Newton (1642-1727), του οποίου το έργο "Principia" (1687) περιείχε μια μηχανική ερμηνεία των παλμών ηχητικής πίεσης και της ταχύτητας των κυμάτων κατά τη διάδοσή τους σε στερεά μέσα. Υπολόγισε πρώτος την αχύτητα του ήχου βάσει θεωρητικών εκτιμήσεων. Η ακουστική θεωρία σε σταθερότερη μαθηματική και φυσική βάση διατυπώθηκε από τους Euler (1707-1783), Lagrange (1736-1813) και d'Alembert (1717-1783). Ο Leonhard Euler (1707-1783) διατύπωσε την κυματική εξίσωση για τον ήχο, στη μορφή που χρησιμοποιείται σήμερα. Η σύγχρονη θεωρία του ήχου και των κραδασμών είναι σε μεγάλο βαθμό ο καρπός της εργασίας αυτών των μαθηματικών και φυσικών. Ο Ernst Friedrich Florens Chladni (1756-1827) θεωρείται ο ιδρυτής της σύγχρονης πειραματικής ακουστικής. Εφηύρε τα στοιχεία Chladni, τα οποία καθιστούν ορατές τις φυσικές δονήσεις των πλακών. Μεγαλύτερες σε βάθος εργασίες με μαθηματικό υπόβαθρο για την ακουστική έγιναν από τον Hermann von Helmholtz (1821-1894), ο οποίος διερεύνησε την αίσθηση του ήχου (ενσωμάτωσε τη φυσιολογική ακουστική) και περιέγραψε τον συντονιστή ή αντηχείο Helmholtz, καθώς επίσης και από τον John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, στο μνημειώδες έργο του "Theory of Sound" (1877), στο οποίο παρουσιάζει πολλές μαθηματικά τεκμηριωμένες αποδείξεις για την παραγωγή και διάδοση του ήχου. Παράλληλα, ο Pierre Simon Laplace (1749-1827) περιέγραψε την αδιαβατική συμπεριφορά του ήχου, ενώ οι Wheatstone, Ohm και Henry, ανέπτυξαν τα ανάλογα ισοδύναμα μεταξύ ηλεκτρισμού και ακουστικής.
Στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, αναπτύχθηκαν οι πρώτες ακουστικές συσκευές μέτρησης και καταγραφής, όπως ο φωναυτογράφος (phonoautograph) από τον Édouard-Léon Scott de Martinville (1817-1897) και αργότερα ο φωνογράφος του Thomas Alva Edison (1847-1931). Ο Αύγουστος Kundt (1839-1894) ανέπτυξε το σωλήνα Kundt που χρησιμοποιείται στη μέτρηση του συντελεστή απορρόφησης του ήχου.
Από τις αρχές του 20ού αιώνα έχουμε την ευρεία εφαρμογή των υφιστάμενων θεωρητικών γνώσεων σχετικά με την ακουστική. Έτσι, ο Wallace Clement Sabine (1868-1919), θεωρείται ότι ήταν ο πρώτος που συνέβαλε στην ανάπτυξη αυτού που ονομάζεται ακουστική χώρων ή αρχιτεκτονική ακουστική, με στόχο τη βελτίωση της ακουστικής ποιότητας των δωματίων.
Η εισαγωγή των ηλεκτρονικών λυχ­νιών και η εφεύρεση του σωλήνα ηλεκτρονίων (1907) συνέβαλε αποφασιστικά στο πεδίο της ακουστικής, καθώς επέτρεψε την κατασκευή μεγαφώ­νων, μικροφώνων, ενισ­χυτών και καταγραφέων για συχνότητες, ακουστικές και μη, ενώ η ακουστικές μετρήσεις βελτιώθηκαν σε ανάλυση και ακρίβεια. Έτσι, προστέθηκαν στα προηγούμενα επιστημονικά πεδία η ηλεκτροακουστική, η ακουστική υπερήχων με εφαρμογές στην ιατρική και στη βιομηχανία, η φωνομετρία, η αρχιτεκτονική ακουστική και η ακουστική του περιβάλλοντος χώρου. Νέοι τύποι ακουστικών μορφοτροπέων αναπτύχθηκαν και εξελίχθηκαν σε πλείστες εφαρμογές. Η υδροακουστική χρησιμοποιήθηκε εκτενώς για τον εντοπισμό υποβρυχίων από τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο. Ο Paul Langevin (1872-1946) χρησιμοποίησε υπερήχους ως τεχνική εντοπισμού αντικείμενων κάτω από το νερό (sonar). Οι νέες τεχνικές επέτρεψαν να επεκταθεί η μελέτη από τους απλούς ή σύνθετους ήχους σε ηχητικά φαινόμενα οποιουδήποτε τύπου, για παράδειγμα παλμικά. Από το 1930 περίπου εμφανίζονται επιστημονικά περιοδικά αφιερωμένα αποκλειστικά θέματα ακουστικής.
Μια από τις πιο σημαντικές εφαρμογές της ακουστικής αναπτύσσεται από το πρώτο μισό του 20ού αιώνα, σχετικά με τη μείωση του θορύβου, μέσω του σιγαστήρα στο σύστημα εξάτμισης των μηχανοκίνητων οχημάτων και το οποίο βελτιώνεται συνεχώς. Με την εισαγωγή των κινητήρων στη δεκαετία του 1950 και τις αναγκαίες προϋποθέσεις για την επιτυχή μείωση του θορύβου, αναπτύσσεται η αεροακουστική, η οποία επηρεάζεται σημαντικά από το έργο του James Lighthill (1924-1998).

Σύγχρονη εποχή

Η σύγχρονη αντίληψη της ακουστικής χαρακτηρίζεται από την τάση να διαχωρίζονται οι διάφορες επιστημονικές και τεχνικές πλευρές. Κατά γενική έννοια, πράγματι η ηλεκτροακουστική αναλογία έχει επιτρέψει την εφαρμογή της τεχνικής των ηλεκτρικών κυκλωμάτων στη διάδοση της ηχητικής ενέργειας και, επομένως, τη μελέτη της λειτουργίας, για παράδειγμα, μιας σειράς μετατροπών και διαδόσεων, μέσα από ένα ανάλογο ηλεκτρικό κύκλωμα. Εξάλλου, έχει διαπιστωθεί ότι η ηχητική ενέργεια και οι άλλες μορφές ενέργειας (ηλεκτρική, μηχανική, χημική), στις οποίες αυτή μετατρέπεται, είναι βασικά φορείς σημάτων, στους οποίους πρέπει να διατηρείται συνεχώς το μέγιστο ποσό πληροφοριών. Έτσι μπορεί να γίνει κατανοητή η επιστημονική ονομασία των ηχείων, που αποκαλούνται ηλεκτροακουστικοί μετατροπείς. Από αυτή την άποψη πρέπει να παρατηρήσουμε ότι οι αναλογικές μέθοδοι αφορούν ακόμα και τα αισθητήρια όργανα, όπως για παράδειγμα το εσωτερικό αφτί (ελικοειδές πρότυπο) και τα φωνητικά όργανα. Ειδικότερα, από τη μία πλευρά οι πιο πρόσφατες εξελίξεις της επιστήμης των τηλεπικοινωνιών και από την άλλη η σημαντική πρόοδος των ηλεκτροακουστικών μηχανημάτων (που οφείλονται στην ηλεκτρονική) συμβάλλουν στην απαλλαγή της επιστημονικής ακουστικής από ένα είδος υποταγής στην αρχή της ανάλυσης των συνθέτων ήχων σύμφωνα με το θεώρημα του Φουριέ, αντίθετα προς τη διατύπωση του ακουστικού νόμου του Ωμ, που έμεινε ακλόνητος από το 1843. Την αναλυτική αντίληψη γύρω από τον ήχο αντικαθιστά σήμερα εκείνη που στηρίζεται στην αναπαράσταση του ήχου με βάση την τιμή που αποκτούν περισσότερες μεταβλητές. Έτσι λοιπόν ο ίδιος ο όρος ήχος, που κάποτε οριζόταν αναλυτικά είτε ως φυσική διαταραχή έξω από το αφτί είτε, κατ’ αντιδιαστολή, ως φυσιολογικό αίσθημα, θεωρείται σήμερα το σύνολο των φυσικών φαινομένων (ευρεία έννοια) έξω και μέσα στο αφτί και στον ανθρώπινο εγκέφαλο, που συνδέονται με τη διαταραχή, μέχρι το σημείο όπου η ψυχοακουστική, ανατομική και ηλεκτροφυσιολογική έρευνα είναι ικανή μέχρι σήμερα να διαπιστώσει τη διάδοση του σήματος.