Что такое звук? Спектр акустических упругих волн. Фононика.

Звук - это колебательный процесс, и, как всякое колебание, он характеризуется своей частотой.

Ниже показан спектр частот звуковых волн. По аналогии со спектром электромагнитных колебаний, в нем можно выделить несколько диапазонов частот, которые по-разному воспринимаются человеком или сопровождаются разными процессами в веществе. Разделяющие их граничные значения частот не точные, а примерные, они лишь характеризуют типичный переход между явлениями разного типа.

1. Инфразвук — частоты ниже примерно 15 Гц, область звуковых колебаний, которую человек не воспринимает как звук.
2. Звук — доступный человеческому уху диапазон частот от 15 Гц примерно до 20 кГц; длина волны в воздухе — от 20 метров до полутора сантиметров.
3. Ультразвук — недоступные человеческому уху звуковые колебания с частотой от 20 кГц и примерно до 100 МГц; длина волны в воде — от 10 см и до десятков микрон. Благодаря малой длине волны (а значит, высокой разрешающей способности), а также технической простоте излучения и регистрации, ультразвук является основой огромного числа диагностических и исследовательских технологий.
4. Гиперзвук — ультразвуковые волны с частотами от 100 мегагерц до сотен гигагерц и длинами волн в микронном и субмикронном диапазоне. Характерная особенность таких волн — их неспособность распространяться в среде на макроскопические расстояния из-за сильного затухания. По той же причине их гораздо труднее исследовать экспериментально, чем обычные ультразвуковые волны. Однако усилия по их получению и регистрации оправданы из-за того, что они позволяют «прощупать» свойства материалов на субмикронном масштабе и на временных масштабах порядка наносекунды. В русском языке слово «гиперзвук» часто применяют и в ином значении — так характеризуют летательные аппараты, движущиеся со скоростями, более чем впятеро превышающими скорость звука в воздухе (гиперзвуковые скорости). Эти два значения слова никак не связаны друг с другом.
5. Упругие колебания с частотами порядка терагерца и выше уже следует относить к тепловым колебаниям, а не к звуковым волнам. Длины волн приближаются к межатомным расстояниям, и дискретность вещества ограничивает эту шкалу сверху.

Звуковые волны квантуются: волна заданной частоты, возбужденная в теле определенного размера, не может быть слабее некоторого минимального значения. Такой квант звука называется фонон, по аналогии с фотоном — квантом электромагнитного поля. Для подавляющего большинства ситуаций это квантование, а также связанные с ним квантовые законы несущественны. Они могут оказаться важными либо в области сверхвысоких частот, то есть для тепловых фононов, либо в специфических обстоятельствах, например при вычислении теплоемкости кристалла или для описания акустического лазера — мощного источника когерентных фононов. Однако часто бывает удобно представлять и обычную звуковую волну в виде потока фононов, даже если каждый отдельный фонон слишком слаб для того, чтобы быть услышанным.

Законами распространения и свойствами звуковых волн занимается один из древнейших разделов физики — акустика. Однако во всех «классических» технических приложениях акустики среда, через которую распространяются упругие волны, играет пассивную роль. Она либо сама является объектом исследования, либо просто проводит волну от источника до нужного объекта. Управлять звуковой волной обычно трудно. Волна, конечно, может отражаться от границ раздела двух сред, а звук разной частоты может по-разному поглощаться стенкой. Но эти методы слишком «грубы» для тонкого управления потоком фононов, а тем более — потоками тепла.

Именно такими задачами занимается фононика — раздел физики, который изучает распространение упругих колебаний в средах со сложной периодической структурой. Название этой области перекликается с электроникой и фотоникой — наукой об аккуратном, иногда даже «пофотонном», управлении потоками света. Аналогии на этом не заканчиваются. В фононике используются некоторые технические устройства и приемы теоретического описания, которые были позаимствованы из этих двух областей.