聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史^聲學(xué)就是研究媒質(zhì)中機(jī)械波得產(chǎn)生.傳播.接收與效應(yīng)得物理學(xué)分支學(xué)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(jī)械波就是抬質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)變化得傳播現(xiàn)彖。A聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史聲音就是人類最早研究得物理現(xiàn)彖之一，聲學(xué)就是經(jīng)典物理學(xué)中歷史垠悠久，并且十前仍處在前沿地位得唯一得物理學(xué)分支學(xué)科。從上古起直到19世紀(jì)，人們都就是把聲音理解為可聽聲得同義語?中國(guó)先秦時(shí)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(shí)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(duì)聲得定義相同?西方國(guó)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(xué)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)定律。傳說在古希臘時(shí)代畢達(dá)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(guó)河南信陽出上「蟠螭文褊鐘，它就是為紀(jì)念甘國(guó)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(duì)聲傳播方式得認(rèn)識(shí)外.對(duì)聲木質(zhì)得認(rèn)識(shí)也與今天得完全相同。在東西方.都認(rèn)為聲音就是由物體運(yùn)動(dòng)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(rèn)識(shí)現(xiàn)在瞧起來很簡(jiǎn)單，旦就是從古代人們得知識(shí)水平來瞧，卻很了不起。-例如，很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi).占代人們對(duì)日常遇到得光與熱就沒有正確得認(rèn)識(shí).一宜到牛頓得時(shí)代「人們對(duì)光得認(rèn)識(shí)還有粒子說與波動(dòng)說得爭(zhēng)執(zhí)，且粒子說占有優(yōu)勢(shì)。至于熱學(xué).’’熱質(zhì)〃說得影響時(shí)間則更長(zhǎng).直到19世紀(jì)后期，恩格斯還對(duì)它進(jìn)行過批判。對(duì)聲學(xué)得系統(tǒng)研究就是從17世紀(jì)初伽利略研尤貳擺周期與物體振動(dòng)開始得。從那時(shí)起直到19世紀(jì)，幾乎所有杰出得物理學(xué)家與數(shù)學(xué)家都對(duì)研尤物體得振動(dòng)與聲得產(chǎn)生原理作過貢獻(xiàn)，而聲得傳播問題則更早就受到J'注總，幾乎2000年前，中國(guó)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(yuǎn)地槍聲測(cè)聲速，以后方法乂不斷改進(jìn)，到1738年巴黎科學(xué)院利用炮聲進(jìn)行測(cè)址，測(cè)得結(jié)果折合為0°C時(shí)聲速為332米/秒.與目前最準(zhǔn)確得數(shù)值331.45米/秒只差0、15%,這在嚙時(shí)'’聲學(xué)儀湍〃只有停表與人耳與情況下，得確就是了不起得成績(jī)。牛頓在1687年出版得《自然哲學(xué)得數(shù)學(xué)原理》中推理：振動(dòng)物體要推動(dòng)鄰近媒質(zhì)，后者乂推動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)值相差很大。達(dá)朗貝爾于1747年首次導(dǎo)出弦得波動(dòng)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(shí).牛頓對(duì)聲波傳導(dǎo)得推導(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(shí)驗(yàn)值就完全一致了。直到19世紀(jì)末，接收聲波得'’儀器■'還具有人耳。人耳能聽到得最低聲強(qiáng)大約就是10T2瓦/米2,在1000Hz時(shí),相應(yīng)得空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(duì)聲得接收確實(shí)驚人?19世紀(jì)中就有不少人耳解剖得1：作與對(duì)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(duì)聲刺激通過聽覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)到達(dá)大腦皮層得過程有所了解，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)與頻率得關(guān)系明確后.對(duì)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(xué)理論得啟發(fā)下，人們開展門斤覺得聲學(xué)研究（以后稱為生理聲學(xué)與心理聲學(xué)）?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(xué)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(xué)成為真正得科學(xué)。19世紀(jì)及以前兩三百年得大量聲學(xué)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(xué)原理》中集經(jīng)典聲學(xué)得大成，開創(chuàng)J'現(xiàn)代聲學(xué)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(xué)。20a世紀(jì)?由于電子學(xué)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(qiáng)度得聲波，已使聲學(xué)研尤得范圉遠(yuǎn)非昔日可比。現(xiàn)代聲學(xué)中最初發(fā)展得分支就就是建筑聲學(xué)與電聲學(xué)以及相應(yīng)得電聲測(cè)：以后，隨著頻率范囤得擴(kuò)展，乂發(fā)展J'超聲學(xué)與次聲學(xué)：由于于?段得改善.進(jìn)一步研尤聽覺，發(fā)展了生理聲學(xué)與心理聲學(xué)：由于對(duì)語言與通信廣播得研究，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(cè)，促使水聲學(xué)得到很大得發(fā)展。20世紀(jì)初以來，特別就是20世紀(jì)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(jìn)了噪聲、噪聲控制、機(jī)械振動(dòng)與沖擊研尤得發(fā)展崗速大功率機(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，逐漸形成了完整得現(xiàn)代聲學(xué)體系?，F(xiàn)代聲學(xué)得內(nèi)容鼻現(xiàn)代聲學(xué)研究主要涉及聲子得運(yùn)動(dòng)、聲子與物質(zhì)得相互作用，以及一些準(zhǔn)粒子與電子等微觀粒子得特性。所以聲學(xué)既有經(jīng)典性質(zhì)，也有雖:子性質(zhì)。聲學(xué)得中心就是基礎(chǔ)物理聲學(xué).它就是聲學(xué)備分支得基礎(chǔ)?聲可以說就是在物質(zhì)媒質(zhì)中得機(jī)械輻射，機(jī)械輻射得總思就是機(jī)械擾動(dòng)在物質(zhì)中得傳播。人類得活動(dòng)幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語言音樂.從地球到人得大腦，從機(jī)械匚程到醫(yī)學(xué).從微觀到宏觀，都就是聲學(xué)家活動(dòng)得場(chǎng)所。聲學(xué)得邊緣科學(xué)性質(zhì)十分明顯，邊緣科學(xué)就是科學(xué)得生長(zhǎng)點(diǎn)，因此有人主張聲學(xué)就是物理學(xué)得一個(gè)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(diǎn)振動(dòng)得方向與聲波傳播得方向垂直〉，有時(shí)還有縱橫波。聲波場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)每秒振動(dòng)得周數(shù)稱為頻率，矗位為赫（Hz）。現(xiàn)代聲學(xué)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(zhǎng)為17奄米到17米，在固體中，聲波波長(zhǎng)得范^更大?比電磁波得波長(zhǎng)范碉至少大一千倍c聲學(xué)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(cè)雖聲波傳播得特性可以研尤媒質(zhì)得力學(xué)性質(zhì)與幾何性質(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)與文化藝術(shù)有密切關(guān)系得學(xué)科，原因就在干此。聲行波強(qiáng)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(xué)測(cè)雖中功率不易直接測(cè)址得，所以常用易于測(cè)雖得聲壓表示。在聲學(xué)中常見得聲強(qiáng)范困或聲斥范圉非常大，所以一般用對(duì)數(shù)表示。稱為聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)，單位就是分貝（dB）。人聲學(xué)得研尤方法與光學(xué)研究方法得比較聲學(xué)分析方法已成為物理學(xué)三個(gè)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。人相似處就是：聲波與光波都就是波動(dòng)，使用兩種方法時(shí)，都運(yùn)用了波動(dòng)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(duì)光波吸收很大，但對(duì)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(shí)造成結(jié)果上得極大差別，例如在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很容易驗(yàn)證光波得平方反比定律（光得強(qiáng)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(cè)出。因?yàn)槭覂?nèi)各表面對(duì)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(zhǎng)時(shí)間（稱為混響時(shí)間）才消失?任何點(diǎn)得聲強(qiáng)都就是這些直達(dá)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(duì)很多聲學(xué)現(xiàn)象不能理解得原因。-聲學(xué)得分支學(xué)科與光學(xué)相似，在不同得情況.依據(jù)其特點(diǎn).需要運(yùn)用不同得聲學(xué)方法進(jìn)行研究。波動(dòng)聲學(xué)也稱物理聲學(xué)，它就是使用波動(dòng)理論研究聲場(chǎng)得學(xué)科。在聲波波長(zhǎng)與空間或物體得尺度數(shù)雖級(jí)相近時(shí)必須用波動(dòng)聲學(xué)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(dòng)（稱為簡(jiǎn)正振動(dòng)方式或簡(jiǎn)正波）。簡(jiǎn)正方式理論就是引用址子力學(xué)中木征值得概念并加以發(fā)展而形成得。-射線聲學(xué)或稱幾何聲學(xué).它與幾何光學(xué)相似。主要就是研究波長(zhǎng)非常小時(shí).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(cè)以及在液體中探測(cè)等時(shí)，都用聲線概念。鼻統(tǒng)訃聲學(xué)主要研尤波長(zhǎng)非常小，在某一頻率范隔內(nèi)簡(jiǎn)正振動(dòng)方式很多，頻率分布很密時(shí)，忽賂相位關(guān)系，只考慮各簡(jiǎn)正方式得能雖相加關(guān)系得問題。賽賓公式就可用統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法推導(dǎo)。統(tǒng)計(jì)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)訃能址技術(shù)解決很女問題，就就是一例。-聲學(xué)儀器-20世紀(jì)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(qiáng)范隔也有限。接收儀湍主要就是人耳，有時(shí)用歌弧、歌焰作定性比較，電話上得接收器與傳聲器還很簡(jiǎn)陋?難干用作測(cè)試儀器。20"世紀(jì)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(hào)與電信號(hào)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(hào)，使聲得產(chǎn)生與接收幾乎不受頻率與強(qiáng)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(dá)每小時(shí)一周以下，聲強(qiáng)可超過人耳所能接收商強(qiáng)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(xué)測(cè)雖分析儀器也達(dá)到了商度準(zhǔn)確得程度，以訃算機(jī)為中心得測(cè)試設(shè)備可完成篡種測(cè)試耍求，60年代需要幾天才能完成得測(cè)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(xué)各分支得發(fā)展創(chuàng)造了很好得條件。利用對(duì)聲速與聲衰減，測(cè)雖研究物質(zhì)持性已應(yīng)用干很廣得范吊I。目前測(cè)出在空氣中，實(shí)際得吸收系數(shù)比19世紀(jì)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(gè)事實(shí)導(dǎo)致了人們對(duì)弛隙過程得研尤，這在對(duì)液體以及它們結(jié)構(gòu)得研尤中起J'很大作用。對(duì)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(duì)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(xiàn)。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(cè)方法得重要發(fā)展?將聲信號(hào)變成電信號(hào)，而電信號(hào)可經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)得存儲(chǔ)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(duì)g得情況，這就大大優(yōu)于一般得超聲檢測(cè)方法?用熱脈沖產(chǎn)生得超聲頻率可達(dá)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(shí)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(diǎn)陣等微小部分都就是聲學(xué)得實(shí)驗(yàn)室。近年來在地褻觀測(cè)中，測(cè)定了固體地球得簡(jiǎn)正振動(dòng)，找出r地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)得準(zhǔn)確模型J球上放遷得地聲接收器對(duì)刀球內(nèi)部監(jiān)測(cè)得結(jié)果.也同樣令人滿意。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部得運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對(duì)地震得準(zhǔn)確預(yù)報(bào)從而避免大雖傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。A聲學(xué)與生命科學(xué)A聽覺過程涉及生理聲學(xué)與心理聲學(xué)?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(qiáng)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(cè)聽技術(shù)與耳鼓聲阻抗測(cè)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(jiǎn)但所得結(jié)果卻驚人得豐富。1961年物理學(xué)家貝削西曾由于在聽覺方面得研尤獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)，這就是物埋學(xué)家在邊緣學(xué)科中得工作受到了承認(rèn)得例子?目前主要由于對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)與大腦得確切活動(dòng)與作用機(jī)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(xué)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(gè)裝到耳聽道內(nèi)得助聽湍：保護(hù)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(xué)在醫(yī)學(xué)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(qiáng)度超聲可加速傷口愈合，同時(shí)施用超聲與X射線可使對(duì)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(duì)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(yuǎn)比X對(duì)線優(yōu)越，而且不存在輻射病.但使用時(shí)也有局限。超聲全息用于體內(nèi)無損檢測(cè)得技術(shù)則尚待發(fā)展。聲學(xué)與環(huán)境、“I代重大環(huán)境問題之一就是噪聲污染，社會(huì)上對(duì)環(huán)境污染