聲學的特點及發(fā)展史(已修改)
2024-11-19 22:10 本頁面
【正文】 聲學科技名詞定義中文名稱：聲學 百科名片聲學是物理學分支學科之一，是研究媒質(zhì)中機械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的科學。媒質(zhì)包括物質(zhì)各態(tài)（固體、液體和氣體等），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（包括位移、速度、加速度中某一種或幾種的變化）的傳播現(xiàn)象。機械波就是聲波。 發(fā)展歷史 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而當前仍在前沿的唯一分支學科。從上古起直到19世紀，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 河南信陽出土的“帠佀”蟠螭文編鐘聲，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，與現(xiàn)代對聲的定義相同。西方也是如此，acoustics的詞源是希臘文akoustikos，意思是“聽覺”。世界上最早的聲學研究工作在音樂方面。 《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，聽起來都很和諧，這是最早的聲學定律。傳說希臘時代，畢達哥拉斯也提出了相似的自然律(但是用弦作基礎(chǔ))。中國1957年河南信陽出土的“帠佀”蟠螭文編鐘是為紀念晉國于公元前 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，這是中國古代聲學成就的證明。在以后的2000多年中，對樂律的研究有不少進展。 明朝朱載堉于1584年提出的平均律，與當代西方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，一直到牛頓的時代對光還有粒子說和波動說的爭執(zhí)，而粒子說取得優(yōu)勢。至于熱，“熱質(zhì)”說的影響時間則更長，直到19世紀后期。 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注意，幾乎2000年前中國和西方都有人把聲與水面波紋相類比。1635年就有人用遠地槍聲測聲速，假設(shè)閃光傳播不需時間。以后方法不斷改進，到1738年巴黎科學院用炮聲測量，測得結(jié)果折合到0176。C時，聲速為332m/s，‰，這在當時“聲學儀器”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《自然哲學的數(shù)學原理》中根據(jù)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)過復雜而難懂的推導求得聲速應(yīng)等于大氣壓與密度之比的二次方根。，求得牛頓的結(jié)果。但是由此算出的聲速只有288m/s，與實驗值相差很大。，并預言可用于聲波。直到1816年，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）γ 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世紀末，接收聲波的儀器只有人耳。人耳能聽到的最低聲強大約是106W/m2(聲壓20μPa)，在1000Hz時，相應(yīng)的空氣質(zhì)點振動位移大約是10pm(1011m)，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。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。，并按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學理論的啟發(fā)下，開展了聽覺的聲學研究（以后稱為生理聲學和心理聲學），并取得重要的成果，其中最有名的是 《音的感知》。在關(guān)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。，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，已發(fā)展為電聲學。在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，使水聲學得到很大的發(fā)展。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。這樣，逐漸形成了完整的現(xiàn)代聲學體系。 特點 ?、俅蟛糠只A(chǔ)理論已比較成熟，這部分理論在經(jīng)典聲學中已有比較充分的發(fā)展。②有些基礎(chǔ)理論和應(yīng)用基礎(chǔ)理論，或基礎(chǔ)理論在不同實際范圍內(nèi)的應(yīng)用問題研究得較多；③非常廣泛 基礎(chǔ)物理聲學，是各分支的基礎(chǔ)(圖2)地滲入到物理學其他分支和其他科學技術(shù)領(lǐng)域（包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)）以及文化藝術(shù)領(lǐng)域中。圖2表明現(xiàn)代聲學的各分支和它們的基礎(chǔ)以及同其他科學技術(shù)的關(guān)系?，F(xiàn)代聲學研究一直涉及聲子的運動、聲子和物質(zhì)相互作用，以及一些準粒子和電子等微觀粒子的特性；所以聲學既有經(jīng)典性質(zhì)，也有量子性質(zhì)。 圖2的中心是基礎(chǔ)物理聲學，是各分支的基礎(chǔ)。聲也可以說是在物質(zhì)媒質(zhì)中的機械輻射。機械輻射的意思是機械擾動(媒質(zhì)中質(zhì)點的相對運動)在物質(zhì)中的傳播。中心圓外有兩個同心環(huán)，各分作若干扇形。第一環(huán)中各扇形是聲學的各個分支，外層中各扇形則是聲學各分支的應(yīng)用范圍，這些范圍的外面又分為分屬各學科的五大類。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（質(zhì)點振動的方向與聲波傳播方向相同，見圖3）。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)
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