К важным вопросам физической А. относятся также взаимодействие элементарных звуковых волн (фононов) с электронами и фотонами. Эти взаимодействия становятся особенно существенными на очень высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частотах при низких температурах. В области таких частот и температур начинают проявляться квантовые эффекты. Этот раздел физики А. иногда называют квантовой А. Нелинейная А. изучает интенсивные звуковые процессы, когда принцип суперпозиции не выполняется и звуковая волна при распространении изменяет свойства среды. Этот раздел А., очень сложный в теоретическом отношении, быстро развивается (как и теория нелинейных волновых процессов в оптике и электродинамике).
Прикладная А. — чрезвычайно обширная область, к которой относится прежде всего электроакустика. Сюда же относятся акустические измерения — измерения величин звукового давления, интенсивности звука, спектра частот звукового сигнала и т. д. Архитектурная и строительная А. занимается задачами получения хорошей слышимости речи и музыки в закрытых помещениях и снижением уровней шума, а также разработкой звукоизолирующих и звукопоглощающих материалов. Прикладная А. изучает также шумы и вибрации и разрабатывает способы борьбы с ними. Изучением распространения звука в океане и возникающими при этом явлениями: рефракцией звука, реверберацией при отражении звукового сигнала от поверхности моря и его дна, рассеянием звука на неоднородностях и т. д. занимаются гидроакустика и гидролокация.
Атмосферная А. исследует особенности распространения звука в атмосфере, обусловленные неоднородностью её структуры, и является частью метеорологии. Геоакустика изучает применения звука в инженерной геофизике и геологии.
Огромное прикладное значение как в технике физического эксперимента, так и в промышленности, на транспорте, в медицине и др. имеют ультразвук и гиперзвук. Например, в измерительной технике — ультразвуковые линии задержки, измерение сжимаемости жидкостей, модулей упругости твёрдых тел и т. д.; в промышленном контроле — дефектоскопия металлов и сплавов, контроль протекания химических реакций и т. д.; технологические применения — ультразвуковое сверление, очистка и обработка поверхностей, коагуляция аэрозолей и др.
Психофизиологическая А. занимается изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов человека и животных, проблемами речеобразования, передачи и восприятия речи. Результаты используются в электроакустике, архитектурной А., системах передачи речи, теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п. К её разделам относятся: речь, слух, психологическая А., биологическая А.
Вопросами А. в СССР занимаются: в Москве — Акустический институт АН СССР, Научно-исследовательский институт строительной физики, Научно-исследовательский кинофотоинститут, институт звукозаписи; в Ленинграде — институт радиоприёма и акустики; ряд отраслевых институтов, а также большое число лабораторий и кафедр в университетах и вузах страны.
2.3. Радиолокации
Радиолокация (от радио... и лат. locatio — размещение, расположение), область науки и техники, предметом которой является наблюдение радиотехническими методами (радиолокационное наблюдение) различных объектов (целей) — их обнаружение, распознавание, измерение их координат (определение местоположения) и производных координат и определение др. характеристик. Под Р. понимают также сам процесс радиолокационного наблюдения (локации) объектов. При наличии нескольких объектов Р. должна обеспечивать требуемое их разрешение (раздельное наблюдение). Задачи Р. решаются при помощи отдельных радиолокационных станций (РЛС) и сложных радиолокационных систем. С Р. тесно связана радионавигация; часто их методы и аппаратура практически не различаются. Р. — одно из важнейших направлений современной радиоэлектроники.
Для радиолокационного наблюдения используют: эхо-сигналы, образующиеся в результате отражения радиоволн от объекта, облученного РЛС (т. н. Р. с зондирующим излучением); сигналы РЛС, переизлучаемые ретранслирующим устройством, находящимся на объекте, местоположение которого определяется (Р. с активным ответом); собственное радиоизлучение объекта — излучение радиоустройств, находящихся на объекте, или тепловое излучение самого объекта, определяющееся его температурой (пассивная радиолокация).
В Р. измеряют расстояние до объекта (дальнометрия, или дистанциометрия), направление прихода сигналов (пеленгация), радиальную и угловую скорости движения объекта и т.д. Радиолокационное наблюдение объектов позволяет также выявлять их многие характерные особенности, например определять параметры ледового покрова водной поверхности, влагосодержание атмосферы, размеры и конфигурацию объекта и т.п. Данные измерений могут быть дискретными (вырабатываемыми через определённые интервалы времени) или непрерывными. Объекты могут быть одиночными или множественными либо представлять собой сплошные образования. Возможно сложное (комбинированное) наблюдение, например радиолокационный обзор пространства в некотором секторе, позволяющий производить поиск и обнаружение новых объектов в этом секторе и одновременно непрерывно получать текущие координаты уже обнаруженных объектов.
В основе наиболее распространённого вида Р. — Р. с зондирующим излучением — лежит явление отражения радиоволн. Простейшей характеристикой отражающих свойств объекта (в направлении на приёмную антенну РЛС при заданном направлении поля зондирующего излучения) является т. н. эффективная площадь рассеяния (ЭПР) объекта s, позволяющая определить плотность потока мощности поля у приёмной антенны РЛС П2 через плотность потока мощности излучения у объекта H1 по формуле
П1s = П2×4pR2,
где R — расстояние от объекта до РЛС. По характеру отражения или излучения радиоволн радиолокационные объекты принято разделять прежде всего на сосредоточенные (под которыми понимают одиночные объекты с размерами, малыми по сравнению с размерами объёма, разрешаемого РЛС) и распределённые. Распределённые объекты, в свою очередь, могут быть поверхностными (например, земная поверхность с пашней, кустарником, снегом и т.д., поверхность моря или Луны и т.д.) и объёмными (например, всевозможные неоднородности в атмосфере — облака, дождь, снег, искусственные дипольные помехи и т.д.). Гладкие поверхности, у которых размеры неровностей составляют незначительную долю от длины облучающей волны (например, спокойная водная поверхность, бетонное полотно и т.д.), отражают зеркально, т. е. при отражении наблюдаются определённые фазовые соотношения между облучающей волной и отражённой. При неровностях, соизмеримых с длиной облучающей волны или больших её, имеет место диффузное отражение волн, т. е. сложение волн со случайными фазами, отражённых от разных элементов поверхности. В общем случае реальные поверхности создают отражённые волны, содержащие как зеркальную, так и диффузную компоненту. Сопоставляя размеры одиночного объекта не только с объёмом, разрешаемым РЛС, но и с длиной волны, излучаемой ею, различают 3 случая: размеры объекта во много раз больше длины волны (т. н. оптическое рассеяние — поверхностное и краевое), размеры объекта и длина волны близки друг к другу (резонансное рассеяние), длина волны намного превосходит размеры объекта (рэлеевское рассеяние) (см. также Отражение света, Рассеяние света). Эти случаи различаются не только по интенсивности отражения, но и по характеру зависимости отражённого сигнала от длины волны и поляризации зондирующего сигнала. Особый практический интерес представляет случай большой величины отношения размеров объекта к длине волны, поскольку в Р. наибольшее применение имеют волны сантиметрового (СМ) диапазона, в котором у большинства объектов (самолёты, корабли, ракеты, космические аппараты) размеры поверхностей и краев во много раз превосходят длину волны. Для такого (оптического) рассеяния характерны независимость ЭПР от поляризации зондирующего сигнала и возможность разделить большой объект на отдельные, практически самостоятельные части. Как и в оптике, здесь большую роль играют "блестящие точки" (явление интенсивного отражения волн от выпуклых частей объекта), а также зеркально отражающие гладкие участки поверхности. Расчёт поверхностного рассеяния волн основан на применении оптических методов (преимущественно на использовании принципа Гюйгенса — Кирхгофа, согласно которому отражённое поле находится суммированием полей отдельных участков "освещенной" поверхности). При резонансном рассеянии величина ЭПР резко зависит от длины волны и имеет максимум (это явление используют для создания эффективных помех работе РЛС посредством сбрасывания с самолётов металлизированных лент длиной, равной половине длины волны). В области рэлеевского рассеяния ЭПР объекта обратно пропорциональна четвёртой степени длины волны, прямо пропорциональна квадрату объёма объекта и не зависит от его формы. Такая зависимость объясняет выгоды применения в Р. сравнительно коротких волн (например, волн СМ диапазона) для обнаружения мелких объектов (например, снарядов, капель дождя и пр.).
Появление и развитие радиолокации. Явление отражения радиоволн наблюдал ещё Г. Герц в 1886—89. Влияние корабля, пересекающего трассу радиоволн, на силу сигнала зарегистрировал А. С. Попов в 1897. Впервые идея обнаружения корабля по отражённым от него радиоволнам была четко сформулирована в авторской заявке немецкого инженера К. Хюльсмайера (1904), содержавшей также подробное описание устройства для её реализации.
Интерференцию незатухающих радиоволн, приходящих к приёмнику по двум путям — от передатчика и, после отражения, от движущегося судна, — впервые наблюдали американский инженер А. Тейлор и Л. Юнг в 1922, а интерференцию при отражении радиоволн от самолёта — американский инженер Б. Тревор и П. Картер в 1932. В 1924 английский учёный Э. Эплтон провёл измерения высоты слоя Кеннелли — Хевисайда (слой Е ионосферы) путём наблюдения чередующихся усилений и ослаблений сигнала, вызванных варьированием частоты колебаний в передатчике, приводящим (как и при движении отражающего объекта) к изменению разности фаз между колебаниями, пришедшими по двум путям. В 1925 английские учёные Г. Брейт и М. Тьюв опубликовали результаты своей работы по определению высоты слоя Кеннелли — Хевисайда измерением времени запаздывания импульсного сигнала, отражённого от слоя, относительно сигнала, пришедшего вдоль поверхности Земли.