聲學(xué)發(fā)展簡史

聲學(xué)







　　聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機(jī)械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的物理學(xué)分支學(xué)科。媒質(zhì)包括各種狀態(tài)的物質(zhì)，可以是彈性媒質(zhì)也可以是非彈性媒質(zhì)；機(jī)械波是指質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動變化的傳播現(xiàn)象。

聲學(xué)發(fā)展簡史

　　聲音是人類最早研究的物理現(xiàn)象之一，聲學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)中歷史最悠久，并且當(dāng)前仍處在前沿地位的唯一的物理學(xué)分支學(xué)科。



　　從上古起直到19世紀(jì)，人們都是把聲音理解為可聽聲的同義語。中國先秦時就說“情發(fā)于聲，聲成文謂之音”，“音和乃成樂”。聲、音、樂三者不同，但都指可以聽到的現(xiàn)象。同時又說“凡響曰聲”，聲引起的感覺(聲覺)是響，但也稱為聲，這與現(xiàn)代對聲的定義相同。西方國家也是如此，英文的的詞源來源于希臘文，意思就是“聽覺”。



　　　　　　　　　　　　



　　世界上最早的聲學(xué)研究工作主要在音樂方面。《呂氏春秋》記載，黃帝令伶?zhèn)惾≈褡髀桑鰮p長短成十二律；伏羲作琴，三分損益成十三音。三分損益法就是把管(笛、簫)加長三分之一或減短三分之一，這樣聽起來都很和諧，這是最早的聲學(xué)定律。傳說在古希臘時代，畢達(dá)哥拉斯也提出了相似的自然律，只不過是用弦作基礎(chǔ)。



　　1957年在中國河南信陽出土了蟠螭文編鐘，它是為紀(jì)念晉國于公元前525年與楚作戰(zhàn)而鑄的。其音階完全符合自然律，音色清純，可以用來演奏現(xiàn)代音樂。1584年，明朝朱載堉提出了平均律，與當(dāng)代樂器制造中使用的樂律完全相同，但比西方早提出300年。



　　古代除了對聲傳播方式的認(rèn)識外，對聲本質(zhì)的認(rèn)識也與今天的完全相同。在東西方，都認(rèn)為聲音是由物體運(yùn)動產(chǎn)生的，在空氣中以某種方式傳到人耳，引起人的聽覺。這種認(rèn)識現(xiàn)在看起來很簡單，但是從古代人們的知識水平來看，卻很了不起。



　　例如，很長時期內(nèi)，古代人們對日常遇到的光和熱就沒有正確的認(rèn)識，一直到牛頓的時代，人們對光的認(rèn)識還有粒子說和波動說的爭執(zhí)，且粒子說占有優(yōu)勢。至于熱學(xué)，“熱質(zhì)”說的影響時間則更長，直到19世紀(jì)后期，恩格斯還對它進(jìn)行過批判。



　　對聲學(xué)的系統(tǒng)研究是從17世紀(jì)初伽利略研究單擺周期和物體振動開始的。從那時起直到19世紀(jì)，幾乎所有杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家都對研究物體的振動和聲的產(chǎn)生原理作過貢獻(xiàn)，而聲的傳播問題則更早就受到了注意，幾乎2000年前，中國和西方就都有人把聲的傳播與水面波紋相類比。



　　1635年有人用遠(yuǎn)地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進(jìn)，到1738年巴黎科學(xué)院利用炮聲進(jìn)行測量，測得結(jié)果折合為0℃時聲速為332米／秒，與目前最準(zhǔn)確的數(shù)值331.45米／秒只差0.15%，這在當(dāng)時“聲學(xué)儀器”只有停表和人耳和情況下，的確是了不起的成績。



　　牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中推理：振動物體要推動鄰近媒質(zhì)，后者又推動它的鄰近媒質(zhì)等等，經(jīng)過復(fù)雜而難懂的推導(dǎo)，求得聲速應(yīng)等于大氣壓與密度之比的二次方根。歐拉在1759年根據(jù)這個概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結(jié)果。但是據(jù)此算出的聲速只有288米／秒，與實(shí)驗(yàn)值相差很大。



　　達(dá)朗貝爾于1747年首次導(dǎo)出弦的波動方程，并預(yù)言可用于聲波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空氣溫度不變時，牛頓對聲波傳導(dǎo)的推導(dǎo)才正確，而實(shí)際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應(yīng)該是絕熱過程。因此，聲速的二次方應(yīng)是大氣壓乘以比熱容比(定壓比熱容與定容比熱容的比)與密度之比，據(jù)此算出聲速的理論值與實(shí)驗(yàn)值就完全一致了。



　　直到19世紀(jì)末，接收聲波的“儀器”還只有人耳。人耳能聽到的最低聲強(qiáng)大約是10ˉ12瓦／米2，在1000Hz時，相應(yīng)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動位移大約是10pm(10ˉ11米)，只有空氣分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收確實(shí)驚人。19世紀(jì)中就有不少人耳解剖的工作和對人耳功能的探討，但至今還未能形成完整的聽覺理論。目前對聲刺激通過聽覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)到達(dá)大腦皮層的過程有所了解，但這過程以后大腦皮層如何進(jìn)行分析、處理、判斷還有待進(jìn)一步研究。



　　音調(diào)與頻率的關(guān)系明確后，對人耳聽覺的頻率范圍和靈敏度也都有不少的研究。發(fā)現(xiàn)著名的電路定律的歐姆于1843年提出，人耳可把復(fù)雜的聲音分解為諧波分量，并按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學(xué)理論的啟發(fā)下，人們開展了聽覺的聲學(xué)研究(以后稱為生理聲學(xué)和心理聲學(xué))，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍茲的《音的感知》。



　　在封閉空間(如房間、教室、禮堂、劇院等)里面聽語言、音樂，效果有的很好，有的很不好，這引起今天所謂建筑聲學(xué)或室內(nèi)音質(zhì)的研究。但直到1900年賽賓得到他的混響公式，才使建筑聲學(xué)成為真正的科學(xué)。



　　19世紀(jì)及以前兩三百年的大量聲學(xué)研究成果的最后總結(jié)者是瑞利，他在1877年出版的兩卷《聲學(xué)原理》中集經(jīng)典聲學(xué)的大成，開創(chuàng)了現(xiàn)代聲學(xué)的先河。至今，特別是在理論分析工作中，還常引用這兩卷巨著。他開始討論的電話理論，目前已發(fā)展為電聲學(xué)。



　　　　　　　　　　　



　　20世紀(jì)，由于電子學(xué)的發(fā)展，使用電聲換能器和電子儀器設(shè)備，可以產(chǎn)生接收和利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強(qiáng)度的聲波，已使聲學(xué)研究的范圍遠(yuǎn)非昔日可比。現(xiàn)代聲學(xué)中最初發(fā)展的分支就是建筑聲學(xué)和電聲學(xué)以及相應(yīng)的電聲測量。以后，隨著頻率范圍的擴(kuò)展，又發(fā)展了超聲學(xué)和次聲學(xué)；由于手段的改善，進(jìn)一步研究聽覺，發(fā)展了生理聲學(xué)和心理聲學(xué)；由于對語言和通信廣播的研究，發(fā)展了語言聲學(xué)。



　　在第二次世界大戰(zhàn)中，開始把超聲廣泛地用到水下探測，促使水聲學(xué)得到很大的發(fā)展。20世紀(jì)初以來，特別是20世紀(jì)50年代以來，全世界由于工業(yè)、交通等事業(yè)的巨大發(fā)展出現(xiàn)了噪聲環(huán)境污染問題，而促進(jìn)了噪聲、噪聲控制、機(jī)械振動和沖擊研究的發(fā)展高速大功率機(jī)械應(yīng)用日益廣泛。非線性聲學(xué)受到普遍重視。此外還有音樂聲學(xué)、生物聲學(xué)。這樣，逐漸形成了完整的現(xiàn)代聲學(xué)體系。


現(xiàn)代聲學(xué)的內(nèi)容

　　現(xiàn)代聲學(xué)研究主要涉及聲子的運(yùn)動、聲子和物質(zhì)的相互作用，以及一些準(zhǔn)粒子和電子等微觀粒子的特性。所以聲學(xué)既有經(jīng)典性質(zhì)，也有量子性質(zhì)。


　　聲學(xué)的中心是基礎(chǔ)物理聲學(xué)，它是聲學(xué)各分支的基礎(chǔ)。聲可以說是在物質(zhì)媒質(zhì)中的機(jī)械輻射，機(jī)械輻射的意思是機(jī)械擾動在物質(zhì)中的傳播。人類的活動幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語言音樂，從地球到人的大腦，從機(jī)械工程到醫(yī)學(xué)，從微觀到宏觀，都是聲學(xué)家活動的場所。



　　聲學(xué)的邊緣科學(xué)性質(zhì)十分明顯，邊緣科學(xué)是科學(xué)的生長點(diǎn)，因此有人主張聲學(xué)是物理學(xué)的一個最好的發(fā)展方向。



　　聲波在氣體和液體中只有縱波。在固體中除了縱波以外，還可能有橫波(質(zhì)點(diǎn)振動的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時還有縱橫波。