声学发展简史

1、声学发展简史丄声学就是研究媒质中机械波得产生.传播.接收与效应得物理学分支学科。媒质包括幹种状态得物质，可以 就是弹性媒质也可以就是非弹性媒质;机械波就是抬质点运动变化得传播现彖。A声学发展简史声音就是人类最早研究得物理现彖之一，声学就是经典物理学中历史垠悠久，并且十前仍处在前沿地位得唯 一得物理学分支学科从上古起直到19世纪，人们都就是把声音理解为可听声得同义语中国先秦时就说悄发于声.声成文谓之 音音与乃成乐”。声、音、乐三者不同，但都指可以听到得现象。同时又说凡响F1声；声引起得感觉（声 觉）就是响，但也称为声，这与现代对声得定义相同西方国家也就是如此，英文得得词源來源于希腊文总思 就就是

2、听觉-鼻世界上最早得声学研究工作主要在音乐方而。吕氏春秋记载.黄帝令伶伦取竹作律. 増损长短成十二律：伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就就是把管（笛.箫）加长三分之一或减短 三分之一，这样听起來都很与谐，这就是最早得声学定律。传说在古希腊时代.毕达哥拉斯也提出了相似 得自然律.只不过就是用弦作基础。亠195 7年在中国河南信阳出上蟠螭文編钟，它就是为纪念甘国 于公元前5 25年与楚作战而铸得。其音阶完全符合自然律，音色淸纯,可以用來演奏现代音乐。15 8 4年, 明朝朱载垢提出了平均律占片代乐器制造中使用得乐律完全相同，但比西方早提出30 0年。占代除了对声传播方式得认识外.对声木质得认

3、识也与今天得完全相同。在东西方.都认为声音就是由物 体运动产生得.在空气中以某种方式传到人耳月I起人得听觉这种认识现在瞧起來很简单，旦就是从古代人 们得知识水平來瞧，却很了不起。-例如,很长时期内.占代人们对日常遇到得光与热就没有正确得认识. 一宜到牛顿得时代人们对光得认识还有粒子说与波动说得争执，且粒子说占有优势。至于热学. 热质说 得影响时间则更长.直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判。对声学得系统研究就是从17世纪初伽利略研尤贰摆周期与物体振动开始得。从那时起直到19世纪，几 乎所有杰出得物理学家与数学家都对研尤物体得振动与声得产生原理作过贡献，而声得传播问題则更早就 受到J注总，几

4、乎2 0 00年前，中国与西方就都有人把声得传播与水面波纹相类比。 1635上年有人用远 地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1 738年巴黎科学院利用炮声进行测址，测得结果折合为0C时 声速为332米/秒.与目前最准确得数值331.45米/秒只差0、15%,这在嗎时声学仪湍只有停表与 人耳与情况下，得确就是了不起得成绩。牛顿在1 6 87年出版得自然哲学得数学原理中推理：振动物体要推动邻近媒质,后者又推动它得邻近 媒质等等，经过复朵而难悽得推导，求得声速应等于大气压与密度之比得二次方根。欧拉在1759年根据这 个概念提出更淸楚得分析方法，求得牛顿得结果。但就是抵此算出得声速只有288米/秒与

5、实验值相差 很大。达朗贝尔于1747年首次导出弦得波动方程,并预言可用于声波。直到1 816年，拉普拉斯抬出 只有在空气温度不变时.牛顿对声波传导得推导才正确.而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能 就是等温过程，而应该就是绝热过程。因此,声速得二次方应就是大气压乘以比热容比（定压比热容与定容 比热容得比）与密度之比,据此算出声速得理论值与实验值就完全一致了。直到19世纪末，接收声波得仪器还貝有人耳。人耳能听到得最低声强大约就是10T2瓦/米2,在10 00Hz时,相应得空气质点振动位移大约就是10pm（10-ll 只有空气分子直径得十分之一.可见人 耳对声得接收确实惊人19世纪中就有不

6、少人耳解剖得1：作与对人耳功能得探讨，但至今还未能形成完整得 听觉理论。目前对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层得过程有所了解，但这过程以后大脑皮层 如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究.音调与频率得关系明确后.对人耳听觉得频率范圉与灵墩度也都有不少得研究。发现着名得电路定律得欧 姆于1843年提出，人耳可把复朵得声音分解为谐波分址，并按分音大小判断音品得理论。在欧姆声学理论 得启发下，人们开展门斤觉得声学研究（以后称为生理声学与心理声学）并取得了重要得成果，其中最有 名得就是亥姆霍兹得音得感知在封闭空间（如房间.教室、礼堂、剧院等）里面听语言、音乐，效果有得很好.有得很不好，这引起

7、今天 所谓建筑声学或室内音质得研尤但直到1 90 0年赛宾得到她得混响公式,才使建筑声学成为真正得科 学。19世纪及以前两三百年得大量声学研尤成果得最后总结者就是瑞利，她在18 7 7年出版得两卷声学原理 中集经典声学得大成，开创J现代声学得先河。至今，持别就是在理论分析匸作中，还常引用这两卷巨着。 她开始讨论得电话埋论，目前已发展为电声学。 20a世纪由于电子学得发展.使用电声换能湍与电子 仪器设备.可以产生接收与利用任何频率、任何波形、几乎任何强度得声波，已使声学研尤得范圉远非昔日 可比。现代声学中最初发展得分支就就是建筑声学与电声学以及相应得电声测:以后，随着频率范囤得 扩展，又发展J超

8、声学与次声学：由于于段得改善.进一步研尤听觉，发展了生理声学与心理声学：由于对 语言与通信广播得研究，发展了语言声学。在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促使水声学得到很大得发展。20世纪初以來，特别 就是20世纪50年代以來.全世界由于工业、交通等爭业得巨大发展出现了噪声环境污染问题，而促进了 噪声、噪声控制、机械振动与冲击研尤得发展岗速大功率机械应用日益广泛非线性声学受到普遍重视。此 外还有音乐声学.生物声学。这样,逐渐形成了完整得现代声学体系。现代声学得内容 鼻现代声学研究主要涉及声子得运动、声子与物质得相互作用，以及一些准粒子与电子 等微观粒子得特性。所以声学既有经典性质

9、，也有虽:子性质。声学得中心就是基础物理声学.它就是声 学备分支得基础声可以说就是在物质媒质中得机械辐射，机械辐射得总思就是机械扰动在物质中得传播。人类得活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐.从地球到人得大脑,从机械匸程到医学.从微观到宏 观,都就是声学家活动得场所。声学得边缘科学性质十分明显，边缘科学就是科学得生长点，因此有人主张声学就是物理学得一个昴好得发 展方向声波在气体与液体中只有纵波。在固体中除r纵波以外,还可能有横波（质点振动得方向与声波传播得方向 垂直，有时还有纵横波。声波场中质点每秒振动得周数称为频率，矗位为赫（Hz）。现代声学研究得频率范囤为万分之一赫兹到十 亿赫兹，在空

10、气中可听到声音得声波长为1 7奄米到17米，在固体中，声波波长得范闌更大比电磁波得波 长范碉至少大一千倍c声学频率得范碉大致为:可听声得频率为2020000赫.小于20赫为次声，大于 2 0 0 0 0赫为超声。声波得传播与媒质得弹性模址，密度.内耗以及形状大小（产生折射、反射、衍射等）有关。测虽声波传播 得特性可以研尤媒质得力学性质与几何性质，声学之所以发展成拥有众多分支并且与许多科学、技术与文化 艺术有密切关系得学科，原因就在干此。声行波强度用尬位面枳内传播得功率（以瓦/米2为单位）表 示,但就是在声学测虽中功率不易直接测址得，所以常用易于测虽得声压表示。在声学中常见得声强范困或 声斥范圉

11、非常大，所以一般用对数表示。称为声强级或声压级，单位就是分贝（dB）o人声学得研尤方法与 光学研究方法得比较声学分析方法已成为物理学三个重要分析方法（声学方法、光学方法、粒子轰击方法）之一。声学方法与光 学方法（包括电磁波方法）相比有相似处.也有不同处。人相似处就是：声波与光波都就是波动，使用 两种方法时，都运用了波动过程所应服从得一般规律，包括虽子概念（声得虽子称为声子）。-不同处就是: 光波就是横波，声波在气体中与液体中就是纵波.而在固体中有纵波，有横波，还有纵横波、表面波等，情 况更为复朵;声波比光波得传播速度小得筝：一般物体与材料对光波吸收很大，但对声波却很小，声波在不 同媒质得界而上

12、几乎就是完全反射. 这些传播性质有时造成结果上得极大差别，例如在普通实验室内很 容易验证光波得平方反比定律（光得强度与到光源得距离平方成反比）。根据能虽守恒定律，声波也应满足平 方反比定律但在室内则无法测出。因为室内各表面对声波來说都就是很好得反射面，声速又比较小，声音 发出后要反射很女次，在室内往返多次,经过很长时间（称为混响时间）才消失任何点得声强都就是这些直达 声与反射声互相干涉得结果与距离得关系很复杂。这就就是为什么直到1 9 0 0年赛宾提出混响理论以前. 人们对很多声学现象不能理解得原因。-声学得分支学科与光学相似，在不同得情况.依据其特点.需要运用不同得声学方法进行研究。波动声学

13、也称物理声学，它就是使用波动理论研究声场得学科。在声波波长与空间或物体得尺度数虽级相近 时必须用波动声学分析其主要内容就是研究声得反射、折射、干涉.衍射、驻波.散射等现彖. 在封闭空间（例如室内，周碉有表面）或半关闭空间（例如在水下或大气中.有上、下界而）.反射波得互相 T涉要形成一系列得固有振动（称为简正振动方式或简正波）。简正方式理论就是引用址子力学中木征值得 概念并加以发展而形成得。-射线声学或称几何声学.它与几何光学相似。主要就是研究波长非常小时. 能址沿直线得传播得规律。即忽略衍射现象,只考虑声线得反射、折射等问题这就是在许多情况下都很有 效得方法。例如在研尤室内反射巾i、在固体中作

14、无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念。鼻统 讣声学主要研尤波长非常小，在某一频率范隔内简正振动方式很多，频率分布很密时，忽賂相位关系,只考虑 各简正方式得能虽相加关系得问題。赛宾公式就可用统计声学方法推导。统计声学方法不限于在关闭或半 关闭空间中使用。在声波传输中，统讣能址技术解决很女问题，就就是一例。-声学仪器-2 0世纪以 前，声源仅限干人声.乐器、音义与哨子频率限于可听声范困内.可控制御声强范隔也有限。接收仪湍主 要就是人耳，有时用歌弧、歌焰作定性比较，电话上得接收器与传声器还很简陋难干用作测试仪器。20 世纪以后，人们把电路理论应用于换能濡得设汁.把晶体得压电性用于声信号与电信号

15、之间得转换，以后又 发展r斥电陶瓷、驻极体等，并用电子线路放大与控制电信号，使声得产生与接收几乎不受频率与强度得限 制。-近年用半导体薄膜产生超声，用激光轰击金屈激发声波等，使声频超过了可听声商限得几亿倍。次 声频率可达每小时一周以下，声强可超过人耳所能接收商强声音得几干万倍。声功率也可超过人发声得一 千亿倍。声学测虽分析仪器也达到了商度准确得程度，以讣算机为中心得测试设备可完成篡种测试耍求,60 年代需要几天才能完成得测试分析匸作.用现代设备可能只要几秒钟就可以完成.这些手段给声学各分支 得发展创造了很好得条件。利用对声速与声衰减，测虽研究物质持性已应用干很广得范吊I。目前测出 在空气中，实

16、际得吸收系数比19世纪斯托克斯与基尔霍夫根据粘性与热传导推出得经典理论值大得女，在 液体中甚至大几千倍.几万倍。这个爭实导致了人们对弛隊过程得研尤，这在对液体以及它们结构得研尤 中起J很大作用。对于固体同样匚作已形成从低频到起声频固体内耗得研咒并对诸如固体结构与晶体缺陷 等方面得研究都有很大贡献。表面波、声全息、声成像、非线性声学、热脉冲.声发射、超声显微镜、次声等以物质特性研尤为基础得 研究领域都有很大发展。亠声全息与声成像就是无损检测方法得重要发展将声信号变成电信号，而电信 号可经过电子计算机得存储与处理川声全息或声成像给出得较多得信息充分反应枝检对g得情况，这就大 大优于一般得超声检测方

17、法用热脉冲产生得超声频率可达到1 0 1 2HZ以上，为凝聚态物理开辟了新得研 尤领域.-声波在固体与液体中得非线性特性可通过媒质中声速得微小变化來研究，应用声波得非线性持 性可以实现与研究声与声得相互作用,它还用于商分辨率得参址声呐中。a声波可以透过所有物体:不论 透明或不透明得，导电或非导电得。因此，从大气、地球内部、海洋等宏大物体直到人体组织、晶体点阵 等微小部分都就是声学得实验室。近年來在地喪观测中，测定了固体地球得简正振动，找出r地球内部运动 得准确模型丿球上放辻得地声接收器对刀球内部监测得结果.也同样令人满意。进一步监测地球内部得运 动，最终必将实现对地震得准确预报从而避免大虽伤亡

18、与经济损失。A声学与生命科学A听觉过程涉 及生理声学与心理声学目前能定址地表示声音在人耳产生得主观虽（音调与响度），并求得与物理虽（频率 与强度）得函数关系，这就是心理物理研尤得重大成果。还建立r测听技术与耳鼓声阻抗测虽技术，这就是 研究中耳与内耳病变得有效丄具.-在听觉研究中，所用得设备很简但所得结果却惊人得丰富。19 6 1年物理学家贝削西曾由于在听觉方面得研尤获得诺贝尔医学或生理学奖，这就是物埋学家在边缘学科 中得工作受到了承认得例子目前主要由于对神经系统与大脑得确切活动与作用机理不明，还未形成完整得 听觉理论,但这方ifri已引起了很多声学工作者得重视。在语言与听觉范圉内.基础研尤导致

19、很篡重要医疗设备得生产：整个装到耳听道内得助听湍：保护听力得 耳塞.为声带损伤病人用得人工喉，语言合成器，为全聋病人用得蚀觉感知器与人工耳蜗等等。除了助听、助语设备外,声学在医学中还有很多可以应用得方面，但发展都很不够或根木未发展，特别就是 在治疗方面有迹直说明低强度超声可加速伤口愈合，同时施用超声与X射线可使对癌症得辐射治疗更加有 效，超声辐射可治愈脑血栓等，但这些都未形成常规得治疗手段。超声检查体内器官，并加以显示得方法有广泛得应用，声波可透过人体并对体内任何阻抗得变化灵敏（折射、 反射）因此超声透视颅内、心脏或腹内得某些功效远比X对线优越,而且不存在辐射病.但使用时也有局 限。超声全息用于体内无损检测得技术则尚待发展。声学与环境、“I代重大环境问題之一就是噪声污染，社会上对环境污染得总见