聲學(xué)

聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機械波的產(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)；機械波是指質(zhì)點運動變化的傳播現(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�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(xué)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(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識外，對聲本質(zhì)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(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(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，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(xué)院利用炮聲進行測量，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，與實驗值相差很大。

　　達朗貝爾于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驗值就完全一致了。

　　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大約是10¯¹²瓦/米²，在1000Hz時，相應(yīng)的空氣質(zhì)點振動位移大約是10pm(10¯¹¹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(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(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、幾乎任何強度的聲波，已使聲學(xué)研究的范圍遠非昔日可比。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，隨著頻率范圍的擴展，又發(fā)展了超聲學(xué)和次聲學(xué)；由于手段的改善，進一步研究聽覺，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，而促進了噪聲、噪聲控制、機械振動和沖擊研究的發(fā)展高速大功率機械應(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)中的機械輻射，機械輻射的意思是機械擾動在物質(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，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)點振動的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時還有縱橫波。

　　聲波場中質(zhì)點每秒振動的周數(shù)稱為頻率，單位為赫(Hz)。現(xiàn)代聲學(xué)研究的頻率范圍為萬分之一赫茲到十億赫茲，在空氣中可聽到聲音的聲波長為17毫米到17米，在固體中，聲波波長的范圍更大，比電磁波的波長范圍至少大一千倍。聲學(xué)頻率的范圍大致為：可聽聲的頻率為20～20000赫，小于20赫為次聲，大于20000赫為超聲。

　　聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量，密度、內(nèi)耗以及形狀大小(產(chǎn)生折射、反射、衍射等)有關(guān)。測量聲波傳播的特性可以研究媒質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和幾何性質(zhì)，聲學(xué)之所以發(fā)展成擁有眾多分支并且與許多科學(xué)、技術(shù)和文化藝術(shù)有密切關(guān)系的學(xué)科，原因就在于此。

　　聲行波強度用單位面積內(nèi)傳播的功率(以瓦/米²為單位)表示，但是在聲學(xué)測量中功率不易直接測量得，所以常用易于測量的聲壓表示。在聲學(xué)中常見的聲強范圍或聲壓范圍非常大，所以一般用對數(shù)表示。稱為聲強級或聲壓級，單位是分貝(dB)。

聲學(xué)的研究方法與光學(xué)研究方法的比較

　　聲學(xué)分析方法已成為物理學(xué)三個重要分析方法(聲學(xué)方法、光學(xué)方法、粒子轟擊方法)之一。聲學(xué)方法與光學(xué)方法(包括電磁波方法)相比有相似處，也有不同處。

　　相似處是：聲波和光波都是波動，使用兩種方法時，都運用了波動過程所應(yīng)服從的一般規(guī)律，包括量子概念(聲的量子稱為聲子)。

　　不同處是：光波是橫波，聲波在氣體中和液體中是縱波，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)雜；聲波比光波的傳播速度小得多；一般物體和材料對光波吸收很大，但對聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)的界面上幾乎是完全反射。

　　這些傳播性質(zhì)有時造成結(jié)果上的極大差別，例如在普通實驗室內(nèi)很容易驗證光波的平方反比定律(光的強度與到光源的距離平方成反比)。根據(jù)能量守恒定律，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是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發(fā)出后要反射很多次，在室內(nèi)往返多次，經(jīng)過很長時間(稱為混響時間)才消失。任何點的聲強都是這些直達聲和反射聲互相干涉的結(jié)果，與距離的關(guān)系很復(fù)雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對很多聲學(xué)現(xiàn)象不能理解的原因。

聲學(xué)的分支學(xué)科

　　與光學(xué)相似，在不同的情況，依據(jù)其特點，需要運用不同的聲學(xué)方法進行研究。

　　波動聲學(xué)也稱物理聲學(xué)，它是使用波動理論研究聲場的學(xué)科。在聲波波長與空間或物體的尺度數(shù)量級相近時必須用波動聲學(xué)分析。其主要內(nèi)容是研究聲的反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現(xiàn)象。

　　在封閉空間(例如室內(nèi)，周圍有表面)或半關(guān)閉空間(例如在水下或大氣中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振動(稱為簡正振動方式或簡正波)。簡正方式理論是引用量子力學(xué)中本征值的概念并加以發(fā)展而形成的。

　　射線聲學(xué)或稱幾何聲學(xué)，它與幾何光學(xué)相似。主要是研究波長非常小時，能量沿直線的傳播的規(guī)律。即忽略衍射現(xiàn)象，只考慮聲線的反射、折射等問題。這是在許多情況下都很有效的方法。例如在研究室內(nèi)反射面、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。

　　統(tǒng)計聲學(xué)主要研究波長非常小，在某一頻率范圍內(nèi)簡正振動方式很多，頻率分布很密時，忽略相位關(guān)系，只考慮各簡正方式的能量相加關(guān)系的問題。賽賓公式就可用統(tǒng)計聲學(xué)方法推導(dǎo)。統(tǒng)計聲學(xué)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)計能量技術(shù)解決很多問題，就是一例。

聲學(xué)儀器

　　20世紀(jì)以前，聲源僅限于人聲、樂器、音義和哨子。頻率限于可聽聲范圍內(nèi)，可控制的聲強范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時用歌弧、歌焰作定性比較，電話上的接收器和傳聲器還很簡陋，難于用作測試儀器。

　　20世紀(jì)以后，人們把電路理論應(yīng)用于換能器的設(shè)計，把晶體的壓電性用于聲信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換，以后又發(fā)展了壓電陶瓷、駐極體等，并用電子線路放大和控制電信號，使聲的產(chǎn)生和接收幾乎不受頻率和強度的限制。

　　近年用半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)生超聲，用激光轟擊金屬激發(fā)聲波等，使聲頻超過了可聽聲高限的幾億倍。次聲頻率可達每小時一周以下，聲強可超過人耳所能接收高強聲音的幾千萬倍。聲功率也可超過人發(fā)聲的一千億倍。聲學(xué)測量分析儀器也達到了高度準(zhǔn)確的程度，以計算機為中心的測試設(shè)備可完成多種測試要求，60年代需要幾天才能完成的測試分析工作，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(xué)各分支的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。

　　利用對聲速和聲衰減，測量研究物質(zhì)特性已應(yīng)用于很廣的范圍。目前測出在空氣中，實際的吸收系數(shù)比19世紀(jì)斯托克斯和基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導(dǎo)推出的經(jīng)典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬倍。這個事實導(dǎo)致了人們對弛豫過程的研究，這在對液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用。對于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內(nèi)耗的研究，并對諸如固體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻。

　　表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學(xué)、熱脈沖、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。

　　聲全息和聲成像是無損檢測方法的重要發(fā)展。將聲信號變成電信號，而電信號可經(jīng)過電子計算機的存儲和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應(yīng)枝檢對象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測方法。用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達到10¹²Hz以上，為凝聚態(tài)物理開辟了新的研究領(lǐng)域。

　　聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質(zhì)中聲速的微小變化來研究，應(yīng)用聲波的非線性特性可以實現(xiàn)和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶中。

　　聲波可以透過所有物體：不論透明或不透明的，導(dǎo)電或非導(dǎo)電的。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是聲學(xué)的實驗室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動，找出了地球內(nèi)部運動的準(zhǔn)確模型，月球上放置的地聲接收器對月球內(nèi)部監(jiān)測的結(jié)果，也同樣令人滿意。進一步監(jiān)測地球內(nèi)部的運動，最終必將實現(xiàn)對地震的準(zhǔn)確預(yù)報從而避免大量傷亡和經(jīng)濟損失。

聲學(xué)與生命科學(xué)

　　聽覺過程涉及生理聲學(xué)和心理聲學(xué)。目前能定量地表示聲音在人耳產(chǎn)生的主觀量(音調(diào)和響度)，并求得與物理量(頻率和強度)的函數(shù)關(guān)系，這是心理物理研究的重大成果。還建立了測聽技術(shù)和耳鼓聲阻抗測量技術(shù)，這是研究中耳和內(nèi)耳病變的有效工具。

　　在聽覺研究中，所用的設(shè)備很簡單，但所得結(jié)果卻驚人的豐富。1961年物理學(xué)家貝剴西曾由于在聽覺方面的研究獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎，這是物理學(xué)家在邊緣學(xué)科中的工作受到了承認的例子。目前主要由于對神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的確切活動和作用機理不明，還未形成完整的聽覺理論，但這方面已引起了很多聲學(xué)工作者的重視。

　　在語言和聽覺范圍內(nèi)，基礎(chǔ)研究導(dǎo)致很多重要醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)：整個裝到耳聽道內(nèi)的助聽器；保護聽力的耳塞，為聲帶損傷病人用的人工喉，語言合成器，為全聾病人用的觸覺感知器和人工耳蝸等等。

　　除了助聽、助語設(shè)備外，聲學(xué)在醫(yī)學(xué)中還有很多可以應(yīng)用的方面，但發(fā)展都很不夠或根本未發(fā)展，特別是在治療方面。有跡象說明低強度超聲可加速傷口愈合，同時施用超聲和 X射線可使對癌癥的輻射治療更加有效，超聲輻射可治愈腦血栓等，但這些都未形成常規(guī)的治療手段。

　　超聲檢查體內(nèi)器官，并加以顯示的方法有廣泛的應(yīng)用，聲波可透過人體并對體內(nèi)任何阻抗的變化靈敏(折射、反射)，因此超聲透視顱內(nèi)、心臟或腹內(nèi)的某些功效遠比 X射線優(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)無損檢測的技術(shù)則尚待發(fā)展。

聲學(xué)與環(huán)境

　　當(dāng)代重大環(huán)境問題之一是噪聲污染，社會上對環(huán)境污染的意見(包括控告)有一半是噪聲問題。除了長期在較強的噪聲(90dB以上)中工作要造成耳聾外，不太強的噪聲對人也會形成干擾。例如噪聲級到70dB，對面談話就有困難，50dB環(huán)境下睡眠休息已受到嚴重影響。近年來，對聲源發(fā)聲機理的研究受到注意，也取得了不少成績。

　　噪聲控制中常遇到的聲源功率范圍非常大，這也增加了噪聲控制工作的復(fù)雜性。例如一個大型火箭發(fā)動機的噪聲功率可開動一架大型客機，而大型客機的噪聲功率可開動一輛卡車。噪聲污染是工業(yè)化的后果，而降低噪聲又是改善環(huán)境、提高人的工作效率、延長機器壽命的重要措施。

　　環(huán)境科學(xué)不但要克服環(huán)境污染，還要進一步研究造成適于人們生活和活動的環(huán)境。使在廳堂中聽到的講話清晰、音樂優(yōu)美是建筑聲學(xué)的任務(wù)。廳堂音質(zhì)的主要問題是室內(nèi)的混響，混響必須合適，有時還需要混響可變。實驗證明，由聲源到聽者的直達聲及其后50或100毫秒內(nèi)到達的反射聲對音質(zhì)都有重要影響，反射聲的方向分布也是很重要的因素，兩側(cè)傳來的反射聲似乎很重要，全面研究各種因素才能獲得良好的音質(zhì)。

　　音樂是聲學(xué)研究最早注意的課題，今日則已開始進入新的境界。電子樂器和計算機音樂的問世，為作曲家和演奏藝術(shù)家開辟了新的創(chuàng)作天地。電子音樂合成器產(chǎn)生的樂音既可以模擬現(xiàn)有任何樂器的聲音，也可以創(chuàng)造出從來未有過的新樂音。

　　除了次聲外，聲學(xué)對國防還有許多重要用途。海洋中除聲以外的各種信號都很難傳到幾米之外，因此利用回聲探測水下物體，如潛艇、海底、魚群、沉船等是最有力的手段。