聲學發(fā)展簡史

聲學發(fā)展簡史

ABRIEFHISTORYOFACOUSTICS

主講

劉世清

Keynotespeaker

Dr.

ShiqingLiu

數(shù)理與信息工程學院CollegeofMaths&PhysicsofZhejiangNormalUniversity教學內(nèi)容概述聲學發(fā)展簡史現(xiàn)代聲學簡介聲學儀器聲學研究范圍1概述

聲學既是一門經(jīng)典學科，又是一門“常為新”的學科。從經(jīng)典聲學到現(xiàn)代聲學，聲學始終是最具生命力的學科之一，表現(xiàn)為其內(nèi)涵不斷深化、外延不斷擴大?，F(xiàn)代聲學是一門跨層次的基礎(chǔ)性學科，研究從微觀到宏觀、從次聲（長波）到特超聲（短波）的一切形式的線性與非線性聲（機械）波現(xiàn)象。同時，現(xiàn)代聲學具有極強的交叉性與延伸性，它與現(xiàn)代科學技術(shù)的大部分學科發(fā)生了交叉，形成了一系列諸如醫(yī)學超聲學、生物聲學、海洋聲學、環(huán)境聲學等新型獨特的交叉學科方向，在現(xiàn)代科學技術(shù)中起著舉足輕重的作

用?，F(xiàn)代聲學更是一門具有廣泛應(yīng)用性的學科，對當代科學技術(shù)的發(fā)展、社會經(jīng)濟的進步和我國防事業(yè)的現(xiàn)代化、以及人民物質(zhì)與精神生活的改善與提高中發(fā)揮著極其重要、甚至不可替代的作用。因此，聲學學科已經(jīng)大大超越了物理學的經(jīng)典范疇，而成為包括信息、電子、機械、海洋、生命、能源等學科在內(nèi)的充滿活力的多學科交叉學科。隨著與當代電子與信息科學技術(shù)的不斷融合，以及聲學研究手段的不斷進步，聲學無疑是廿一世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W科之一，并將迎來其更輝煌的篇章。

2聲學發(fā)展簡史

聲音是人類最早研究的物理現(xiàn)象之一，聲學是經(jīng)典物理學中歷史最悠久，并且當前仍處在前沿地位的物理學分支學科。世界上最早的聲學研究工作主要在音樂方面?！秴问洗呵铩酚涊d，“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，這是最早的聲學定律。據(jù)史料記載，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)。

古代對聲本質(zhì)的認識與今天的聲學理論很接近。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。對聲學的系統(tǒng)研究是從17世紀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，幾乎所有杰出的物理學家和數(shù)學家都對研究物體的振動和聲的產(chǎn)生原理作過貢獻。聲的傳播問題則更早就受到了注意，幾乎在2000多年前，中國和西方就都有人把聲的傳播與水面的波紋相類比。1635年就有人用遠地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進。1738年，巴黎科學院的科學家利用炮聲進行了測量，將測得結(jié)果進行折合,得到0℃的空氣聲速為332m/s,與目前最準確的數(shù)值331.45m/s只差0.15%。1827年瑞士物理學家樂克拉頓和法國數(shù)學家斯特姆相約到日內(nèi)瓦湖進行實驗，得到聲在水中的傳播速度是1435m/s,這是人類歷史上第一次水中聲速的測量獲得成功。這在當時“聲學儀器”只有停表和人耳的情況下，的確是了不起的成績。直到19世紀末，接收聲波的“儀器”還只有人耳，人耳能聽到的最低聲強約為10-12W/m2,在1000Hz時相應(yīng)的空氣質(zhì)點振動位移約是10-11m，只有一般氣體分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收確實驚人。19世紀中就有不少人耳解剖的工作和對人耳功能的探討，1843年發(fā)現(xiàn)著名的電路定律的歐姆提出，人耳可把復雜的聲音分解成諧波分量，并按分音大小判斷音色的理論。在歐姆聲學理論的啟發(fā)下，人們開展了聽覺的聲學研究(以后稱為生理聲學和心理聲學)，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》。至今完整的聽覺理論還未能形成，目前人們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。在語言和聽覺范圍內(nèi),理論的研究已導致了很多醫(yī)療設(shè)備的產(chǎn)生，如裝在耳道內(nèi)的助聽器、人工喉、語言合成器、人工耳蝸等。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，才使建筑聲學成為真正的科學。19世紀及以前兩三百年的大量聲學研究成果的最后總結(jié)者是瑞利，他在1877年出版的兩卷《聲學原理》中集經(jīng)典聲學的大成，開創(chuàng)了現(xiàn)代聲學的先河。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。

20世紀，由于電子學的發(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，已使聲學研究的范圍遠非昔日可比?，F(xiàn)代聲學中最初發(fā)展的分支就是建筑聲學和電聲學以及相應(yīng)的電聲測量。以后，隨著頻率范圍的擴展，又發(fā)展了超聲學和次聲學；由于手段的改善，進一步研究聽覺，發(fā)展了生理聲學和心理聲學；由于對語言和通信廣播的研究，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的發(fā)展（PaulLangevin）。20世紀初以來，特別是20世紀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。非線性聲學受到普遍重視。此外還有音樂聲學、生物聲學。多個分支學科的發(fā)展逐漸形成了完整的現(xiàn)代聲學體系。3

現(xiàn)代聲學的內(nèi)容

現(xiàn)代聲學研究主要涉及聲子的運動、聲子和物質(zhì)的相互作用，以及一些準粒子和電子等微觀粒子之間的特性。所以聲學既有經(jīng)典性質(zhì)，也有量子性質(zhì)。聲學的中心是基礎(chǔ)物理聲學，它是聲學各分支的基礎(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有關(guān)，從海洋學到語言音樂，從地球到人的大腦，從機械工程到醫(yī)學，從微觀到宏觀，都是聲學家活動的場所。聲學的邊緣科學性質(zhì)十分明顯，邊緣科學是科學的生長點，因此有人主張聲學是物理學的一個最好的發(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），有時還有縱橫波等。聲波場中質(zhì)點每秒振動的周數(shù)稱為頻率，單位為赫（Hz）?，F(xiàn)代聲學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17mm到17m，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?。óa(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)的力學性質(zhì)和幾何性質(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)和文化藝術(shù)有密切關(guān)系的學科，原因就在于此。4聲學儀器

20世紀以前，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世紀以后，人們把電路理論應(yīng)用于聲學換能器的設(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[Pb(Zr,Ti)O3]、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。聲學測量分析儀器也達到了高度準確的程度，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。利用對聲速和聲衰減的測量研究物質(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世紀斯托克斯和基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導推出的經(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。聲表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學、熱聲脈沖、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，導電或非導電的。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)對地震的準確預(yù)報從而避免大量傷亡和經(jīng)濟損失。

5聲學研究內(nèi)容及分支聲波的產(chǎn)生聲波的傳播聲波的接收研究內(nèi)容聲學分支

次聲學、超聲學、電聲學、大氣聲學、音樂聲學、語言聲學、建筑聲學、生理聲學、心理聲學、生物聲學、水聲學等。

聲學范圍

下圖是美國著名聲學家林賽（R.BruceLindsay）1964年提出的聲學范圍圖，基本是20世紀上半葉的聲學總結(jié)，現(xiàn)代聲學是科學、技術(shù)、也是藝術(shù)的基礎(chǔ)。中心圓內(nèi)是聲學的基礎(chǔ)部分，物理聲學在瑞利時代已發(fā)展到較高的水平；中間一環(huán)是聲學與各應(yīng)用科學形成的邊緣科學；最外層是工程技術(shù)、文化藝術(shù)、生命科學和地球科學中有關(guān)的各種學科和技術(shù)。6聲波的效應(yīng)及應(yīng)用醫(yī)療B超機

(medicaltreatmentofB-typeultrasound)超聲探傷，超聲檢測，超聲測厚，超聲測硬度，地質(zhì)勘探

超聲C掃描探傷系統(tǒng)超聲清洗，超聲焊接，超聲加工超聲顯微鏡

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