聲學(xué)發(fā)展簡史

1、精選文檔聲學(xué)發(fā)展簡史聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機(jī)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(jī)械波是指質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)變化的傳播現(xiàn)象。 ?趿?K?聲學(xué)發(fā)展簡史 %jo鑎汳D?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。 _43虶罒?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(shí)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(shí)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，

2、英文的的詞源來源于希臘文，意思就是“聽覺”。 u*梷卂 m麈 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鰮p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(shí)代，畢達(dá)哥拉斯也提出了相似的自然律，只不過是用弦作基礎(chǔ)。 H閦?悑溮 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。

3、 嚕?洵?= 古代除了對聲傳播方式的認(rèn)識(shí)外，對聲本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也與今天的完全相同。在東西方，都認(rèn)為聲音是由物體運(yùn)動(dòng)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(rèn)識(shí)現(xiàn)在看起來很簡單，但是從古代人們的知識(shí)水平來看，卻很了不起。 呯?lt;奪?c 例如，很長時(shí)期內(nèi)，古代人們對日常遇到的光和熱就沒有正確的認(rèn)識(shí)，一直到牛頓的時(shí)代，人們對光的認(rèn)識(shí)還有粒子說和波動(dòng)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(shí)間則更長，直到19世紀(jì)后期，恩格斯還對它進(jìn)行過批判。 ?0嶃&轘 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(dòng)開始的。從那時(shí)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

4、對研究物體的振動(dòng)和聲的產(chǎn)生原理作過貢獻(xiàn)，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。 hPA憝? 1635年有人用遠(yuǎn)地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進(jìn)，到1738年巴黎科學(xué)院利用炮聲進(jìn)行測量，測得結(jié)果折合為0時(shí)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(shí)“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。 漑閔?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(dòng)物體要推動(dòng)鄰近媒質(zhì)，后者又推動(dòng)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(gè)概念提

5、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(shí)驗(yàn)值相差很大。 ?Y? 達(dá)朗貝爾于1747年首次導(dǎo)出弦的波動(dòng)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(shí)，牛頓對聲波傳導(dǎo)的推導(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(shí)驗(yàn)值就完全一致了。 ?崘 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(qiáng)大約是1012瓦/米2，在1000Hz時(shí)，相應(yīng)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移大約是10pm(1011米

6、)，只有空氣分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收確實(shí)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(dá)大腦皮層的過程有所了解，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。 ?RG?豎? 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。 i閼麶

7、熷滔?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)。 裈U?B? 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(qiáng)度的聲波，已使聲學(xué)研究的范圍遠(yuǎn)非昔日可比?，F(xiàn)代

8、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(kuò)展，又發(fā)展了超聲學(xué)和次聲學(xué)；由于手段的改善，進(jìn)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)。 匴?儕? 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(jìn)了噪聲、噪聲控制、機(jī)械振動(dòng)和沖擊研究的發(fā)展高速大功率機(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，逐漸形成了完整的現(xiàn)代聲學(xué)體系。 ?鑰?瞴砶 現(xiàn)代聲學(xué)的內(nèi)容 亨

9、;X勇畍M 現(xiàn)代聲學(xué)研究主要涉及聲子的運(yùn)動(dòng)、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)。 缼獕剈?y 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(jī)械輻射，機(jī)械輻射的意思是機(jī)械擾動(dòng)在物質(zhì)中的傳播。人類的活動(dòng)幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語言音樂，從地球到人的大腦，從機(jī)械工程到醫(yī)學(xué)，從微觀到宏觀，都是聲學(xué)家活動(dòng)的場所。 k1汕 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(diǎn)，因此有人主張聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)最好的發(fā)展方向。 ?筆 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(diǎn)振動(dòng)的方向與聲波傳播

10、的方向垂直)，有時(shí)還有縱橫波。 _錕d?k 聲波場中質(zhì)點(diǎn)每秒振動(dòng)的周數(shù)稱為頻率，單位為赫(Hz)?，F(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2020000赫，小于20赫為次聲，大于20000赫為超聲。 ? 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(diǎn)陣等微小部分都是聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動(dòng)，找出了地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模型，月球上放置的地聲接收器

11、對月球內(nèi)部監(jiān)測的結(jié)果，也同樣令人滿意。進(jìn)一步監(jiān)測地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對地震的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)從而避免大量傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。 KQ擃R?: 聲學(xué)與生命科學(xué) 欲IA 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(qiáng)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。 謇冑?z? 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(jiǎng)，這是物理學(xué)家在邊緣學(xué)科中的工作受到了承認(rèn)的例子。目前主要由于對神經(jīng)系統(tǒng)和

12、大腦的確切活動(dòng)和作用機(jī)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。 (張舕T?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(gè)裝到耳聽道內(nèi)的助聽器；保護(hù)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。 崨S褪蒞 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(qiáng)度超聲可加速傷口愈合，同時(shí)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。 籕?l: 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

13、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(yuǎn)比X射線優(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)無損檢測的技術(shù)則尚待發(fā)展。 j抙蒺玔 聲學(xué)與環(huán)境 ?1?鼤 當(dāng)代重大環(huán)境問題之一是噪聲污染，社會(huì)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(qiáng)的噪聲(90dB以上)中工作要造成耳聾外，不太強(qiáng)的噪聲對人也會(huì)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(yán)重影響。近年來，對聲源發(fā)聲機(jī)理的研究受到注意，也取得了不少成績。 幻2c錈*L-?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(gè)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲功率可開動(dòng)一架大型客機(jī)，而大型客機(jī)的噪聲功率可開動(dòng)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(jī)器壽命的重要措施。 儺 ?9?環(huán)境科學(xué)不但要克服環(huán)境污染，還要進(jìn)一步研究造成適于人們生活和活動(dòng)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(shí)還需要混響可變。實(shí)驗(yàn)證明，由聲源到聽者的直達(dá)聲及其后50或100毫秒內(nèi)到達(dá)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