Над чем работают и о чем говорят акустики
(К итогам 15 Международного акустического конгресса)


Председатель Научного cовета РАН
по проблеме "Акустика"
профессор Л.М. Лямшев

Сообщество акустиков, насчитывающее многие тысячи ученых и специалистов из разных стран мира, ежегодно организует конференции, симпозиумы и конгрессы по различным направлениям акустики.
Международный акустический конгресс, который проводится каждые три года, начиная с 1953 года, традиционно является наиболее представительным форумом, объединяющим акустиков почти всех направлений.
С 26 по 30 июня 1995 г. в г.Трондхейме (Норвегия) проходил очередной 15-й Международный акустический конгресс. Он был организован Акустическим обществом Норвегии при поддержке Акустической комиссии Международного союза теоретической и прикладной физики. В конгрессе приняли участие делегаты из 41 страны мира. Были представлены доклады по следующим направлениям: физическая акустика, компьютерная акустика, гидроакустика, геоакустика, ультразвук, квантовая акустика и физические эффекты, удар и вибрация, шум, архитектурная и строительная акустика, речь, физиологическая и психологическая акустика, биоакустика и медицинская акустика, музыкальная акустика, аэроакустика, атмосферный звук и инфразвук, измерения и обработка сигналов, воспроизведение и звук, образование и акустика.
Конгресс открылся двумя вступительными лекциями : "Временные константы в человеческом слухе и их значение" и "Достижения в применении компьютеров в акустике". Было прочитано 16 ключевых лекций. Основная работа конгресса проходила в секциях. Были представлены и стендовые доклады. Большую аудиторию собрали дискуссии за круглым столом, посвященные актуальным вопросам: "Будущее акустики", "Образование в акустике", "Исследовательские сообщества в акустике, основанные на электронных сетях".
Не имея возможности даже сколько-нибудь кратко рассказать на основе представленных докладов о многих направлениях современной акустики, остановимся лишь на некоторых из них, наиболее актуальных.
Прежде всего о компьютерной акустике. Это-быстро развивающаяся область современной акустики. Компьютеры в акустике, как и во всех областях современной науки и техники, и в современном обществе в целом, получили очень широкое применение. Существует несколько направлений применения компьютеров в акустике. Во-первых, они используются традиционно в вычислительных целях. Во-вторых, с их помощью решают начальные и краевые задачи акустики. Применение компьютеров оказалось особенно эффективным в случаях, когда решения задач невозможно получить аналитическими методами. Без компьютеров оказывается уже невозможной реализация современных методов обработки акустических сигналов. В последнее десятилетие открылась еще одна перспективная область применения компьютеров в акустике - для создания средств активного подавления шума и вибраций. В отличие от традиционных средств вибродемпфирования и вибропоглощения, методы активного подавления шума и вибраций основаны на создании "вторичных" акустических и вибрационных полей, компенсирующих "первичные" поля шума и вибраций. Эти вторичные компенсирующие поля создаются специальными системами излучателей и приемников, управляемых компьютером, получившим необходимую информацию о первичных полях. Фундаментальные математические и теоретические основы этого направления были разработаны впервые советскими учеными еще в начале 60-х годов. В настоящее время за рубежом существуют многочисленные устройства активного гашения шума и вибраций.
Свидетельством широкого применения компьютеров в акустике могут служить не только прочитанные на 15-м Международном акустическом конгрессе доклады, но и организация специальных международных симпозиумов и конференций по этому новому и перспективному направлению. В 1986 г. в США был организован один из первых симпозиумов по вычислительной акустике. Недавно в 1995 г. в Гонолулу состоялась очередная 2-я Международная конференция по теоретической и вычислительной акустике.
В последние годы развивается новое направление - глобальная акустика. Оно является ветвью современной гидроакустики и основано на использовании эффектов сверхдальнего распространения звука в мировом океане. Основная задача этого направления - изучение изменчивости климата на нашей планете. Глобальная акустика является развитием акустической томографии океана, очень молодой области гидроакустики. В задачу акустической томографии входит исследование структуры водных масс в океане на масштабах до сотен километров. Задачей глобальной акустики служит изучение изменения фазы, времени распространения и амплитуды сигналов в океане на трансокеанских масштабах в тысячи километров. Наблюдение в течение многих лет за этими параметрами, осредненными на достаточно больших временных интервалах, может дать информацию об изменении средней температуры вод Мирового океана и позволит сделать выводы о тенденциях в изменении климата.
Характерным примером исследований в области глобальной акустики могут служить результаты, изложенные в докладе А.Гаврилова, М.Славинского (Россия), П.Михалевского и А.Беггерора (США) "Осуществление эксперимента трансарктического акустического распространения". Авторами и их сотрудниками впервые были выполнены экспериментальные исследования распространения звука (частотой 19,5 Гц) на стационарной трассе протяженностью 2600 км в Арктическом бассейне. Российская станция (излучатель) была расположена у острова Шпицберген, а американская ледовая станция (приемная гидроакустическая станция) находилась в море Буффорта. По мнению исследователей изменение условий распространения звука происходит вследствие изменения температуры воды и ледового покрова, который оказывает существенное влияние на распространение звука в Арктическом бассейне. Авторы утверждают, что выполненные эксперименты указывают на реальную возможность акустического наблюдения за изменениями климата в Арктике, а, следовательно, и на планете.
Еще одно из новых направлений современной акустики связано с понятием фрактала. Об этом шла речь на конгрессе в ключевом докладе автора этой статьи "Фракталы в акустике" (Доклад подготовлен в рамках проекта РФФИ "Фракталы и скейлинг в физической акустике" ; грант РФФИ 93-02-16204)
Фрактал - математическое понятие, дающее единый подход к описанию ряда необычных геометрических свойств, различных физических процессов и структур. В математике фрактал представляет собой множество точек в метрическом пространстве, для которого невозможно определить какую-либо из традиционных мер с целой размерностью - длину, площадь или объем (их размерность, соответственно, первая степень, квадрат и куб длины). Можно, однако, определить меру Хаусдорфа, которая в определенном смысле имеет нецелую размерность, называемую размерностью Хаусдорфа.
Понятие меры и размерности Хаусдорфа известно с 1918 года, но понятие фрактала впервые было сформулировано не так давно, в начале семидесятых годов. Первые работы по применению фракталов в физике появились в 1980 году, а в акустике - не более десяти лет назад. Понятие фрактала позволило, по-сути, развить новую математическую модель, дающую единое описание форм, присущих многим природным явлениям. Оказывается, природа устроена так, что фрактальные модели хорошо описывают многие реальные объекты, структура которых не улавливается в традиционных моделях. Этим объясняется современная популярность фрактального подхода к анализу различных объектов и процессов в физике, химии, биологии и др. Успех применения фрактальных моделей в физике обусловлен прежде всего тем, что фрактальные формы присущи огромному числу процессов и структур. Это не случайный факт. Дело в том, что окружающие нас природные объекты являются в широком смысле неупорядоченными, и многие модели образования и роста неупорядоченных объектов различной природы сводятся в конечном итоге к моделям перколяционного перехода и ограниченной диффузией агрегации. В первом случае образуется фрактальный перколяционный кластер, во втором - фрактальный агрегат. Модели же многих неупорядоченных процессов опираются на различные варианты случайного блуждания или динамического хаоса.
Итак, фрактальный подход применяется как непосредственно к описанию форм физических тел, так и к геометрическим образам, возникающим в процессе исследований - множествам особых точек, графикам и траекториям процессов. В последнем случае один из содержательных примеров применения фрактального подхода относится, пожалуй, к описанию странных аттракторов в фазовом пространстве нелинейных динамических систем с хаотическим поведением.
В докладе "Фракталы в акустике" в лаконичной и сравнительно доступной для широкого круга специалистов форме было изложено последовательное описание различных изученных к настоящему времени аспектов проявления фрактальных структур в акустике. Речь шла, в частности, о результатах, относящихся к волновым процессам во фрактальных структурах с одной стороны, и фрактальным структурам, присущим волновым полям, с другой. Заметим, что изучение колебаний фрактальных структур привело к пониманию механизмов, определяющих тепловые свойства аморфных тел. Оказалось, что для аморфных (фрактальных) материалов проблему определения спектра механических колебаний исчерпывающе решает теория фрактонов - локализованных колебательных состояний на фракталах, сменяющих обычные фононные состояния при частотах, превышающих некоторую частоту перехода.
Изменят ли фракталы лицо акустики? На этот вопрос, по-видимому, нельзя дать однозначный ответ. Одно несомненно, с фракталами и фрактальным анализом, по-видимому, связан новый этап в акустике. Полезно вспомнить: пока акустика развивалась лишь в рамках линейной теории колебаний, ее основу составлял гармонический, спектральный анализ и его обобщения - интегральные преобразования Фурье, Фурье-Бесселя и др. С конца сороковых - начала пятидесятых годов в акустику "пришел" корреляционный анализ, а фундаментальная теорема Винера - Хинчина связала гармонический анализ и корреляционный анализ в единое целое. В конце шестидесятых - начале семидесятых годов началось массовое применение компьютеров в акустике и термин "алгоритм" становится общепринятым. Применение компьютеров не только позволило получить численные решения многих трудных задач акустики, которые не поддавались решению традиционными аналитическими методами, создать совершенно новые многоканальные акустические информационные системы, но и указало на необходимость новых подходов и математических моделей для описания излучения, рассеяния, дифракции и распространения акустических волн и колебаний.
Окружающий нас мир представляет в широком смысле нелинейную динамическую систему или огромное число таких систем. Современная нелинейная динамика ввела в обиход новые идеи геометрии и топологии, такие как фрактал и фрактальное множество, которые позволят более глубоко понять природу. Можно не сомневаться, что новые модели и подходы в акустике также связаны с понятием фрактала.
Доклады, представленные на 15-м Международном акустическом конгрессе, еще раз указывают на то, что современная акустика является весьма широкой областью науки. Ее масштабы простираются от глобальных (глобальная акустика) до квантовых (фононы, фрактоны и теплоемкость аморфных тел), и, как и следовало ожидать, наиболее активно развиваются новые направления, лежащие в пограничных областях - на стыках разных научных областей.
В период работы конгресса состоялось заседание Международной акустической комиссии. Было подтверждено ранее принятое решение о проведении очередного 16-го Международного акустического конгресса в 1998 году в США.
В заключение, хотелось бы выразить глубокую благодарность РФФИ за финансовую поддержку участия в 15-м Международном акустическом конгрессе.