聲學發展簡史

聲學







　　聲學是研究媒質中機械波的產生、傳播、接收和效應的物理學分支學科。媒質包括各種狀態的物質，可以是彈性媒質也可以是非彈性媒質；機械波是指質點運動變化的傳播現象。

聲學發展簡史

　　聲音是人類最早研究的物理現象之一，聲學是經典物理學中歷史最悠久，并且當前仍處在前沿地位的唯一的物理學分支學科。



　　從上古起直到19世紀，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”。



　　　　　　　　　　　　



　　世界上最早的聲學研究工作主要在音樂方面。《呂氏春秋》記載，黃帝令伶倫取竹作律，增損長短成十二律；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，這是最早的聲學定律。傳說在古希臘時代，畢達哥拉斯也提出了相似的自然律，只不過是用弦作基礎。



　　1957年在中國河南信陽出土了蟠螭文編鐘，它是為紀念晉國于公元前525年與楚作戰而鑄的。其音階完全符合自然律，音色清純，可以用來演奏現代音樂。1584年，明朝朱載堉提出了平均律，與當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識外，對聲本質的認識也與今天的完全相同。在東西方，都認為聲音是由物體運動產生的，在空氣中以某種方式傳到人耳，引起人的聽覺。這種認識現在看起來很簡單，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，古代人們對日常遇到的光和熱就沒有正確的認識，一直到牛頓的時代，人們對光的認識還有粒子說和波動說的爭執，且粒子說占有優勢。至于熱學，“熱質”說的影響時間則更長，直到19世紀后期，恩格斯還對它進行過批判。



　　對聲學的系統研究是從17世紀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，幾乎所有杰出的物理學家和數學家都對研究物體的振動和聲的產生原理作過貢獻，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年有人用遠地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進，到1738年巴黎科學院利用炮聲進行測量，測得結果折合為0℃時聲速為332米／秒，與目前最準確的數值331.45米／秒只差0.15%，這在當時“聲學儀器”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《自然哲學的數學原理》中推理：振動物體要推動鄰近媒質，后者又推動它的鄰近媒質等等，經過復雜而難懂的推導，求得聲速應等于大氣壓與密度之比的二次方根。歐拉在1759年根據這個概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結果。但是據此算出的聲速只有288米／秒，與實驗值相差很大。



　　達朗貝爾于1747年首次導出弦的波動方程，并預言可用于聲波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空氣溫度不變時，牛頓對聲波傳導的推導才正確，而實際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應該是絕熱過程。因此，聲速的二次方應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，據此算出聲速的理論值與實驗值就完全一致了。



　　直到19世紀末，接收聲波的“儀器”還只有人耳。人耳能聽到的最低聲強大約是10ˉ12瓦／米2，在1000Hz時，相應的空氣質點振動位移大約是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驚人。19世紀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、神經系統到達大腦皮層的過程有所了解，但這過程以后大腦皮層如何進行分析、處理、判斷還有待進一步研究。



　　音調與頻率的關系明確后，對人耳聽覺的頻率范圍和靈敏度也都有不少的研究。發現著名的電路定律的歐姆于1843年提出，人耳可把復雜的聲音分解為諧波分量，并按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學理論的啟發下，人們開展了聽覺的聲學研究(以后稱為生理聲學和心理聲學)，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或室內音質的研究。但直到1900年賽賓得到他的混響公式，才使建筑聲學成為真正的科學。



　　19世紀及以前兩三百年的大量聲學研究成果的最后總結者是瑞利，他在1877年出版的兩卷《聲學原理》中集經典聲學的大成，開創了現代聲學的先河。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，目前已發展為電聲學。



　　　　　　　　　　　



　　20世紀，由于電子學的發展，使用電聲換能器和電子儀器設備，可以產生接收和利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強度的聲波，已使聲學研究的范圍遠非昔日可比。現代聲學中最初發展的分支就是建筑聲學和電聲學以及相應的電聲測量。以后，隨著頻率范圍的擴展，又發展了超聲學和次聲學；由于手段的改善，進一步研究聽覺，發展了生理聲學和心理聲學；由于對語言和通信廣播的研究，發展了語言聲學。



　　在第二次世界大戰中，開始把超聲廣泛地用到水下探測，促使水聲學得到很大的發展。20世紀初以來，特別是20世紀50年代以來，全世界由于工業、交通等事業的巨大發展出現了噪聲環境污染問題，而促進了噪聲、噪聲控制、機械振動和沖擊研究的發展高速大功率機械應用日益廣泛。非線性聲學受到普遍重視。此外還有音樂聲學、生物聲學。這樣，逐漸形成了完整的現代聲學體系。


現代聲學的內容

　　現代聲學研究主要涉及聲子的運動、聲子和物質的相互作用，以及一些準粒子和電子等微觀粒子的特性。所以聲學既有經典性質，也有量子性質。


　　聲學的中心是基礎物理聲學，它是聲學各分支的基礎。聲可以說是在物質媒質中的機械輻射，機械輻射的意思是機械擾動在物質中的傳播。人類的活動幾乎都與聲學有關，從海洋學到語言音樂，從地球到人的大腦，從機械工程到醫學，從微觀到宏觀，都是聲學家活動的場所。



　　聲學的邊緣科學性質十分明顯，邊緣科學是科學的生長點，因此有人主張聲學是物理學的一個最好的發展方向。



　　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(質點振動的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時還有縱橫波。