聲學發(fā)展簡史

聲學發(fā)展簡史^聲學就是研究媒質(zhì)中機械波得產(chǎn)生.傳播.接收與效應(yīng)得物理學分支學科。媒質(zhì)包括斡種狀態(tài)得物質(zhì)，可以就是彈性媒質(zhì)也可以就是非彈性媒質(zhì)；機械波就是抬質(zhì)點運動變化得傳播現(xiàn)彖。A聲學發(fā)展簡史聲音就是人類最早研究得物理現(xiàn)彖之一，聲學就是經(jīng)典物理學中歷史垠悠久，并且十前仍處在前沿地位得唯一得物理學分支學科。從上古起直到19世紀，人們都就是把聲音理解為可聽聲得同義語?中國先秦時就說’’悄發(fā)于聲.聲成文謂之音〃「音與乃成樂”。聲、音、樂三者不同，但都指可以聽到得現(xiàn)象。同時乂說'’凡響F1聲；聲引起得感覺（聲覺）就是響，但也稱為聲，這與現(xiàn)代對聲得定義相同?西方國家也就是如此，英文得得詞源來源于希臘文?總思就就是'’聽覺-鼻世界上最早得聲學研究工作主要在音樂方而?！秴问洗呵铩酚涊d.黃帝令伶?zhèn)惾≈褡髀?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，這樣聽起來都很與諧，這就是最早得聲學定律。傳說在古希臘時代畢達哥拉斯也提出了相似得自然律.只不過就是用弦作基礎(chǔ)。^1957年在中國河南信陽出上「蟠螭文褊鐘，它就是為紀念甘國于公元前525年與楚作戰(zhàn)而鑄得。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，明朝朱載垢提出了平均律占片代樂器制造中使用得樂律完全相同，但比西方早提出300年。占代除了對聲傳播方式得認識外.對聲木質(zhì)得認識也與今天得完全相同。在東西方.都認為聲音就是由物體運動產(chǎn)生得.在空氣中以某種方式傳到人耳月I起人得聽覺?這種認識現(xiàn)在瞧起來很簡單，旦就是從古代人們得知識水平來瞧，卻很了不起。-例如，很長時期內(nèi).占代人們對日常遇到得光與熱就沒有正確得認識.一宜到牛頓得時代「人們對光得認識還有粒子說與波動說得爭執(zhí)，且粒子說占有優(yōu)勢。至于熱學.’’熱質(zhì)〃說得影響時間則更長.直到19世紀后期，恩格斯還對它進行過批判。對聲學得系統(tǒng)研究就是從17世紀初伽利略研尤貳擺周期與物體振動開始得。從那時起直到19世紀，幾乎所有杰出得物理學家與數(shù)學家都對研尤物體得振動與聲得產(chǎn)生原理作過貢獻，而聲得傳播問題則更早就受到J'注總，幾乎2000年前，中國與西方就都有人把聲得傳播與水面波紋相類比。1635上年有人用遠地槍聲測聲速，以后方法乂不斷改進，到1738年巴黎科學院利用炮聲進行測址，測得結(jié)果折合為0°C時聲速為332米/秒.與目前最準確得數(shù)值331.45米/秒只差0、15%,這在嚙時'’聲學儀湍〃只有停表與人耳與情況下，得確就是了不起得成績。牛頓在1687年出版得《自然哲學得數(shù)學原理》中推理：振動物體要推動鄰近媒質(zhì)，后者乂推動它得鄰近媒質(zhì)等等，經(jīng)過復(fù)朵而難愫得推導(dǎo)，求得聲速應(yīng)等于大氣壓與密度之比得二次方根。歐拉在1759年根據(jù)這個概念提出更清楚得分析方法，求得牛頓得結(jié)果。但就是抵此算出得聲速只有288米/秒?與實驗值相差很大。達朗貝爾于1747年首次導(dǎo)出弦得波動方程，并預(yù)言可用于聲波。直到1816年，拉普拉斯抬出只有在空氣溫度不變時.牛頓對聲波傳導(dǎo)得推導(dǎo)才正確.而實際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能就是等溫過程，而應(yīng)該就是絕熱過程。因此，聲速得二次方應(yīng)就是大氣壓乘以比熱容比（定壓比熱容與定容比熱容得比）與密度之比,據(jù)此算出聲速得理論值與實驗值就完全一致了。直到19世紀末，接收聲波得'’儀器■'還具有人耳。人耳能聽到得最低聲強大約就是10T2瓦/米2,在1000Hz時,相應(yīng)得空氣質(zhì)點振動位移大約就是10pm（10-11只有空氣分子直徑得十分之一.可見人耳對聲得接收確實驚人?19世紀中就有不少人耳解剖得1：作與對人耳功能得探討，但至今還未能形成完整得聽覺理論。目前對聲刺激通過聽覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)到達大腦皮層得過程有所了解，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(diào)與頻率得關(guān)系明確后.對人耳聽覺得頻率范圉與靈墩度也都有不少得研究。發(fā)現(xiàn)著名得電路定律得歐姆于1843年提出，人耳可把復(fù)朵得聲音分解為諧波分址，并按分音大小判斷音品得理論。在歐姆聲學理論得啟發(fā)下，人們開展門斤覺得聲學研究（以后稱為生理聲學與心理聲學）?并取得了重要得成果，其中最有名得就是亥姆霍茲得《音得感知》-在封閉空間（如房間.教室、禮堂、劇院等）里面聽語言、音樂，效果有得很好.有得很不好，這引起今天所謂建筑聲學或室內(nèi)音質(zhì)得研尤?但直到1900年賽賓得到她得混響公式,才使建筑聲學成為真正得科學。19世紀及以前兩三百年得大量聲學研尤成果得最后總結(jié)者就是瑞利，她在1877年出版得兩卷《聲學原理》中集經(jīng)典聲學得大成，開創(chuàng)J'現(xiàn)代聲學得先河。至今，持別就是在理論分析匚作中，還常引用這兩卷巨著。她開始討論得電話埋論，目前已發(fā)展為電聲學。20a世紀?由于電子學得發(fā)展.使用電聲換能湍與電子儀器設(shè)備.可以產(chǎn)生接收與利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強度得聲波，已使聲學研尤得范圉遠非昔日可比?，F(xiàn)代聲學中最初發(fā)展得分支就就是建筑聲學與電聲學以及相應(yīng)得電聲測：以后，隨著頻率范囤得擴展，乂發(fā)展J'超聲學與次聲學：由于于?段得改善.進一步研尤聽覺，發(fā)展了生理聲學與心理聲學：由于對語言與通信廣播得研究，發(fā)展了語言聲學。在第二次世界大戰(zhàn)中，開始把超聲廣泛地用到水下探測，促使水聲學得到很大得發(fā)展。20世紀初以來，特別就是20世紀50年代以來.全世界由于工業(yè)、交通等事業(yè)得巨大發(fā)展出現(xiàn)了噪聲環(huán)境污染問題，而促進了噪聲、噪聲控制、機械振動與沖擊研尤得發(fā)展崗速大功率機械應(yīng)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，逐漸形成了完整得現(xiàn)代聲學體系?，F(xiàn)代聲學得內(nèi)容鼻現(xiàn)代聲學研究主要涉及聲子得運動、聲子與物質(zhì)得相互作用，以及一些準粒子與電子等微觀粒子得特性。所以聲學既有經(jīng)典性質(zhì)，也有雖:子性質(zhì)。聲學得中心就是基礎(chǔ)物理聲學.它就是聲學備分支得基礎(chǔ)?聲可以說就是在物質(zhì)媒質(zhì)中得機械輻射，機械輻射得總思就是機械擾動在物質(zhì)中得傳播。人類得活動幾乎都與聲學有關(guān)，從海洋學到語言音樂.從地球到人得大腦，從機械匚程到醫(yī)學.從微觀到宏觀，都就是聲學家活動得場所。聲學得邊緣科學性質(zhì)十分明顯，邊緣科學就是科學得生長點，因此有人主張聲學就是物理學得一個昴好得發(fā)展方向。聲波在氣體與液體中只有縱波。在固體中除r縱波以外,還可能有橫波（質(zhì)點振動得方向與聲波傳播得方向垂直〉，有時還有縱橫波。聲波場中質(zhì)點每秒振動得周數(shù)稱為頻率，矗位為赫（Hz）?，F(xiàn)代聲學研究得頻率范囤為萬分之一赫茲到十億赫茲，在空氣中可聽到聲音得聲波長為17奄米到17米，在固體中，聲波波長得范^更大?比電磁波得波長范碉至少大一千倍c聲學頻率得范碉大致為:可聽聲得頻率為2020000赫.小于20赫為次聲，大于20000赫為超聲。聲波得傳播與媒質(zhì)得彈性模址，密度.內(nèi)耗以及形狀大?。óa(chǎn)生折射、反射、衍射等）有關(guān)。測雖聲波傳播得特性可以研尤媒質(zhì)得力學性質(zhì)與幾何性質(zhì)，聲學之所以發(fā)展成擁有眾多分支并且與許多科學、技術(shù)與文化藝術(shù)有密切關(guān)系得學科，原因就在干此。聲行波強度用尬位面枳內(nèi)傳播得功率（以瓦/米2為單位）表示，但就是在聲學測雖中功率不易直接測址得，所以常用易于測雖得聲壓表示。在聲學中常見得聲強范困或聲斥范圉非常大，所以一般用對數(shù)表示。稱為聲強級或聲壓級，單位就是分貝（dB）。人聲學得研尤方法與光學研究方法得比較聲學分析方法已成為物理學三個重要分析方法（聲學方法、光學方法、粒子轟擊方法）之一。聲學方法與光學方法（包括電磁波方法）相比有相似處.也有不同處。人相似處就是：聲波與光波都就是波動，使用兩種方法時，都運用了波動過程所應(yīng)服從得一般規(guī)律，包括雖子概念（聲得雖子稱為聲子）。-不同處就是：光波就是橫波，聲波在氣體中與液體中就是縱波.而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為復(fù)朵;聲波比光波得傳播速度小得箏：一般物體與材料對光波吸收很大，但對聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)得界而上幾乎就是完全反射.>這些傳播性質(zhì)有時造成結(jié)果上得極大差別，例如在普通實驗室內(nèi)很容易驗證光波得平方反比定律（光得強度與到光源得距離平方成反比）。根據(jù)能雖守恒定律，聲波也應(yīng)滿足平方反比定律?但在室內(nèi)則無法測出。因為室內(nèi)各表面對聲波來說都就是很好得反射面，聲速乂比較小，聲音發(fā)出后要反射很女次，在室內(nèi)往返多次，經(jīng)過很長時間（稱為混響時間）才消失?任何點得聲強都就是這些直達聲與反射聲互相干涉得結(jié)果?與距離得關(guān)系很復(fù)雜。這就就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前.人們對很多聲學現(xiàn)象不能理解得原因。-聲學得分支學科與光學相似，在不同得情況.依據(jù)其特點.需要運用不同得聲學方法進行研究。波動聲學也稱物理聲學，它就是使用波動理論研究聲場得學科。在聲波波長與空間或物體得尺度數(shù)雖級相近時必須用波動聲學分析?其主要內(nèi)容就是研究聲得反射、折射、干涉.衍射、駐波.散射等現(xiàn)彖.在封閉空間（例如室內(nèi)，周碉有表面）或半關(guān)閉空間（例如在水下或大氣中.有上、下界而）?反射波得互相T?涉要形成一系列得固有振動（稱為簡正振動方式或簡正波）。簡正方式理論就是引用址子力學中木征值得概念并加以發(fā)展而形成得。-射線聲學或稱幾何聲學.它與幾何光學相似。主要就是研究波長非常小時.能址沿直線得傳播得規(guī)律。即忽略衍射現(xiàn)象，只考慮聲線得反射、折射等問題?這就是在許多情況下都很有效得方法。例如在研尤室內(nèi)反射巾i、在固體中作無損檢測以及在液體中探測等時，都用聲線概念。鼻統(tǒng)訃聲學主要研尤波長非常小，在某一頻率范隔內(nèi)簡正振動方式很多，頻率分布很密時，忽賂相位關(guān)系，只考慮各簡正方式得能雖相加關(guān)系得問題。賽賓公式就可用統(tǒng)計聲學方法推導(dǎo)。統(tǒng)計聲學方法不限于在關(guān)閉或半關(guān)閉空間中使用。在聲波傳輸中，統(tǒng)訃能址技術(shù)解決很女問題，就就是一例。-聲學儀器-20世紀以前，聲源僅限干人聲.樂器、音義與哨子?頻率限于可聽聲范困內(nèi).可控制御聲強范隔也有限。接收儀湍主要就是人耳，有時用歌弧、歌焰作定性比較，電話上得接收器與傳聲器還很簡陋?難干用作測試儀器。20"世紀以后，人們把電路理論應(yīng)用于換能濡得設(shè)汁.把晶體得壓電性用于聲信號與電信號之間得轉(zhuǎn)換，以后乂發(fā)展r斥電陶瓷、駐極體等，并用電子線路放大與控制電信號，使聲得產(chǎn)生與接收幾乎不受頻率與強度得限制。-近年用半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)生超聲，用激光轟擊金屈激發(fā)聲波等，使聲頻超過了可聽聲商限得幾億倍。次聲頻率可達每小時一周以下，聲強可超過人耳所能接收商強聲音得幾干萬倍。聲功率也可超過人發(fā)聲得一千億倍。聲學測雖分析儀器也達到了商度準確得程度，以訃算機為中心得測試設(shè)備可完成篡種測試耍求，60年代需要幾天才能完成得測試分析匚作.用現(xiàn)代設(shè)備可能只要幾秒鐘就可以完成.這些手段給聲學各分支得發(fā)展創(chuàng)造了很好得條件。利用對聲速與聲衰減，測雖研究物質(zhì)持性已應(yīng)用干很廣得范吊I。目前測出在空氣中，實際得吸收系數(shù)比19世紀斯托克斯與基爾霍夫根據(jù)粘性與熱傳導(dǎo)推出得經(jīng)典理論值大得女，在液體中甚至大幾千倍.幾萬倍。這個事實導(dǎo)致了人們對弛隙過程得研尤，這在對液體以及它們結(jié)構(gòu)得研尤中起J'很大作用。對于固體同樣匚作已形成從低頻到起聲頻固體內(nèi)耗得研咒并對諸如固體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷等方面得研究都有很大貢獻。表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學、熱脈沖.聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研尤為基礎(chǔ)得研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。工聲全息與聲成像就是無損檢測方法得重要發(fā)展?將聲信號變成電信號，而電信號可經(jīng)過電子計算機得存儲與處理川聲全息或聲成像給出得較多得信息充分反應(yīng)枝檢對g得情況，這就大大優(yōu)于一般得超聲檢測方法?用熱脈沖產(chǎn)生得超聲頻率可達到1012HZ以上，為凝聚態(tài)物理開辟了新得研尤領(lǐng)域.-聲波在固體與液體中得非線性特性可通過媒質(zhì)中聲速得微小變化來研究，應(yīng)用聲波得非線性持性可以實現(xiàn)與研究聲與聲得相互作用，它還用于商分辨率得參址聲吶中。a聲波可以透過所有物體:不論透明或不透明得，導(dǎo)電或非導(dǎo)電得。因此，從大氣、地球內(nèi)部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點陣等微小部分都就是聲學得實驗室。近年來在地褻觀測中，測定了固體地球得簡正振動，找出r地球內(nèi)部運動得準確模型J球上放遷得地聲接收器對刀球內(nèi)部監(jiān)測得結(jié)果.也同樣令人滿意。進一步監(jiān)測地球內(nèi)部得運動，最終必將實現(xiàn)對地震得準確預(yù)報從而避免大雖傷亡與經(jīng)濟損失。A聲學與生命科學A聽覺過程涉及生理聲學與心理聲學?目前能定址地表示聲音在人耳產(chǎn)生得主觀雖（音調(diào)與響度），并求得與物理雖（頻率與強度）得函數(shù)關(guān)系，這就是心理物理研尤得重大成果。還建立r測聽技術(shù)與耳鼓聲阻抗測雖技術(shù)，這就是研究中耳與內(nèi)耳病變得有效［具.-在聽覺研究中，所用得設(shè)備很簡但所得結(jié)果卻驚人得豐富。1961年物理學家貝削西曾由于在聽覺方面得研尤獲得諾貝爾醫(yī)學或生理學獎，這就是物埋學家在邊緣學科中得工作受到了承認得例子?目前主要由于對神經(jīng)系統(tǒng)與大腦得確切活動與作用機理不明，還未形成完整得聽覺理論,但這方ifri已引起了很多聲學工作者得重視。在語言與聽覺范圉內(nèi).基礎(chǔ)研尤導(dǎo)致很篡重要醫(yī)療設(shè)備得生產(chǎn)：整個裝到耳聽道內(nèi)得助聽湍：保護聽力得耳塞.為聲帶損傷病人用得人工喉，語言合成器，為全聾病人用得蝕覺感知器與人工耳蝸等等。除了助聽、助語設(shè)備外，聲學在醫(yī)學中還有很多可以應(yīng)用得方面，但發(fā)展都很不夠或根木未發(fā)展，特別就是在治療方面?有跡直說明低強度超聲可加速傷口愈合，同時施用超聲與X射線可使對癌癥得輻射治療更加有效，超聲輻射可治愈腦血栓等，但這些都未形成常規(guī)得治療手段。超聲檢查體內(nèi)器官，并加以顯示得方法有廣泛得應(yīng)用，聲波可透過人體并對體內(nèi)任何阻抗得變化靈敏（折射、反射）?因此超聲透視顱內(nèi)、心臟或腹內(nèi)得某些功效遠比X對線優(yōu)越，而且不存在輻射病.但使用時也有局限。超聲全息用于體內(nèi)無損檢測得技術(shù)則尚待發(fā)展。聲學與環(huán)境、“I代重大環(huán)境問題之一就是噪聲污染，社會上對環(huán)境污染