Akustika

Akustika on mehaanika haru, mis uurib helilainetega 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" ja teisalt sõnast ἀκουστός (akoustos), 'kuuldud, kuuldav', mis omakorda tuleneb tegusõnast ἀκούω (akouo), 'mina kuulen'.
Mõnikord kasutatakse kõnekeeles väljendit "hea/suurepärase akustikaga ruum". Üldiselt mõeldakse sellega, et ruum on ehitatud sellisena, et ruumi akustilised omadused sobivad helisündmuste läbiviimiseks. Vastavat ruumide sobivust ja sobivaks planeerimist käsitleb akustika allharu arhitektuuriakustika ja täpsemalt ruumiakustika.

Ajalugu

Akustika arengulugu on tihedalt seotud üldisemate füüsika ja tehnika arengulugudega. Esimesed kirjalikud allikad helinähtuste mõtestamisest on pärit antiikajast. Siiski oli vaja olulisi edusamme nii teoorias kui ka mõõtmisvahendites, et vastata teaduslikult arvestataval tasemel fundamentaalsetele küsimustele heli tekke, levimise ja tajumise kohta.

Helide tekke uurimise ajalugu

Akustika nagu paljude teadusvaldkondade juured viivad välja Vana-Kreekasse. Enamik allikaid peab Pythagorast esimeseks, kes 6. sajandil eKr leidis seaduspärasi muusikaliste helide tekkimisel. Teatud arusaam helikõrgustest eksisteeris ilmselt juba enne Pythagorast, kuid teda peetaks esimeseks kes märkas helikõrguste suhete ja keelepikkuste vaheliste suhete seost. 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 tekkinud 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 avastas Galileo, tehes eksperimente pendlite ja pingul keeltega. Pingul keelte võnkumise täpsema kirjelduse au omistatakse Galileo kaasaegsele Marin Mersenne'ile. Mersenne esitas 1636. aastal pingul keele võnkumiste kirjeldamiseks Galileo omadega sarnaseid tähelepanekuid. Mersenne'i peetakse aga esimeseks, kes tegelikult keele võnkesagedust mõõtis. Esimeseks akustikuks võib pidada Joseph Sauveuri, kuna tema pakkus esimesena välja nimetuse "akustika", tähistamaks teadust, mis käsitleb helisid. Sauveuri ja John Wallist peetakse esimesteks, kes kirjeldasid normaalvõnkumiste 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.

Helide levimise uurimise ajalugu

Juba Aristoteles arvas, et heli levib õhus tema liikumise teel. Samas on nüüdseks teada õhu liikumise imeväike amplituud, mis on inimeste poolt raskesti kogetav. Seetõttu leidus ka teisi konkureerivaid helilevi kirjeldavaid teooriaid. Prantsuse filosoof Pierre Gassendi arvas, et heli tekitav keha kiirgab joana väikesi osakesi, mida kõrva jõudnuna 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 helide levimiseks levikeskkonna (näiteks õhu) olemasolu. Juhul, kui õhk eemaldada ehk tekitada vaakum ei tohiks ka heli vaakumis 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 tehtud katse selgelt, et heli kandub õhus edasi lainena.
Fakti, et heli ei levi silmapilkset teati ammu enne esimesi katseid helikiirust mõõta. Teadaolevalt oli üks esimesi katsetajaid aastal 1635 Gassendi. Ühed esimestest arvestatava täpsusega katsetest õhus helikiiruse määramiseks 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 mitu korda kiiremini kui õhus. Vees (Genfi järves) mõõtsid teadaolevalt esimestena 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).

Helide taju uurimise ajalugu

Helide taju osas on ajalooliselt peamiselt uuritud inimeste kuuldetaju. Kui helikõrguse ja sageduse vaheline seos 17. sajandil leiti läks veel omajagu aega, et uurida millise sagedusega helisid inimesed kuulevad. Üks esimesi antud teema uurijaid oli Félix Savart, kes 1830. aastal sai inimeste kuuldeulatuseks sagedusvahemiku 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 1870 esimestena 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 helid on liithelid ja koosnevad kindlate sagedustega lihthelidest ja peamiselt murdarvuliste sagedustega lihthelidest. Ohm oletas veel, et inimkõrv on igas helis võimeline tajuma teda moodustavaid lihthelisid analoogselt matemaatikast tuntud perioodiliste funktsioonide Fourier' reana esitamisena. Ohmi välja pakutud teooria initsieeris palju järgnevaid uurimusi. Üks olulisemaid nende hulgas oli Helmholtz, kelle 1867 ilmunud "Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik" peetakse üheks väljapaistvaimaks saavutusteks akustikas üldse. Selles teoses esitas Helmholtz esimese detailse kõrva toimimist kirjeldava teooria ja andis teoreetilise aluspõhja Ohmi kirjeldatule.