聲學(xué)的特點(diǎn)及發(fā)展史-wenkub
2022-11-14 22:10:55 本頁(yè)面
【正文】 在經(jīng)典聲學(xué)中已有比較充分的發(fā)展。20世紀(jì)初以來(lái)，特別是20世紀(jì)50年代以來(lái)，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(wèn)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。在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。才使建筑聲學(xué)成為真正的科學(xué)。音調(diào)與頻率的關(guān)系明確后，對(duì)人耳聽(tīng)覺(jué)的頻率范圍和靈敏度也都有不少的研究。 直到19世紀(jì)末，接收聲波的儀器只有人耳。但是由此算出的聲速只有288m/s，與實(shí)驗(yàn)值相差很大。以后方法不斷改進(jìn)，到1738年巴黎科學(xué)院用炮聲測(cè)量，測(cè)得結(jié)果折合到0176。 對(duì)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(kāi)始的。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(tīng)覺(jué)。其音階完全符合自然律，音色清純，可以用來(lái)演奏現(xiàn)代音樂(lè)，這是中國(guó)古代聲學(xué)成就的證明。 《呂氏春秋》記載，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。聲、音、樂(lè)三者不同，但都指可以聽(tīng)到的現(xiàn)象。機(jī)械波就是聲波。 聲學(xué)科技名詞定義中文名稱：聲學(xué) 百科名片聲學(xué)是物理學(xué)分支學(xué)科之一，是研究媒質(zhì)中機(jī)械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的科學(xué)。 發(fā)展歷史 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)中歷史最悠久而當(dāng)前仍在前沿的唯一分支學(xué)科。同時(shí)又說(shuō)“凡響曰聲”，聲引起的感覺(jué)（聲覺(jué)）是響，但也稱為聲，與現(xiàn)代對(duì)聲的定義相同。三分損益法就是把管(笛、簫)加長(zhǎng)三分之一或減短三分之一，聽(tīng)起來(lái)都很和諧，這是最早的聲學(xué)定律。在以后的2000多年中，對(duì)樂(lè)律的研究有不少進(jìn)展。這種認(rèn)識(shí)現(xiàn)在看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是從古代人們的知識(shí)水平來(lái)看，卻很了不起。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)家都對(duì)研究物體振動(dòng)和聲的產(chǎn)生原理作過(guò)貢獻(xiàn)。C時(shí)，聲速為332m/s，‰，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(jī)。并預(yù)言可用于聲波。人耳能聽(tīng)到的最低聲強(qiáng)大約是106W/m2(聲壓20μPa)，在1000Hz時(shí)，相應(yīng)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移大約是10pm(1011m)，只有空氣分子直徑的十分之一，可見(jiàn)人耳對(duì)聲的接收確實(shí)驚人。并按分音大小判斷音品的理論。 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(kāi)現(xiàn)代聲學(xué)的先河。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(cè)量。非線性聲學(xué)受到普遍重視。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(shí)際范圍內(nèi)的應(yīng)用問(wèn)題研究得較多；③非常廣泛 基礎(chǔ)物理聲學(xué)，是各分支的基礎(chǔ)(圖2)地滲入到物理學(xué)其他分支和其他科學(xué)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。聲也可以說(shuō)是在物質(zhì)媒質(zhì)中的機(jī)械輻射。人類的活動(dòng)幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語(yǔ)言音樂(lè)，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(chǎng)所。 聲波場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)每秒振動(dòng)的周數(shù)稱為頻率，單位為赫(Hz)。氣體中E＝γp，p是壓力，單位是Pa。 聲行波強(qiáng)度用單位面積內(nèi)傳播的功率（以W/m2為單位）表示，但是在聲學(xué)測(cè)量中功率不易直接測(cè)量得，所以常用易于測(cè)量的聲壓表示。聲壓增加10倍，聲強(qiáng)則增加100倍，分貝數(shù)增加20。這時(shí)聲強(qiáng)級(jí)與聲壓級(jí)相等(0dB)(這是在空氣中，并選擇了適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)值情況下)。 不同處是： ?、俟獠ㄊ菣M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 ?、诼暡ū裙獠ǖ膫鞑ニ俣刃〉枚啵ㄔ跉怏w中約差百萬(wàn)倍，在液體和固體中約差十萬(wàn)倍）； ?、垡话阄矬w（固態(tài)或液態(tài)）和材料對(duì)光波吸收很大，但對(duì)聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)的界面上幾乎是完全反射。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對(duì)很多聲學(xué)現(xiàn)象不能理解的原因。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現(xiàn)象。主要是研究波長(zhǎng)非常?。ㄅc空間或物體尺度比較）時(shí)，能量沿直線的傳播，即忽略衍射現(xiàn)象，只考慮聲線的反射、折射等問(wèn)題。賽賓公式就可用統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法推導(dǎo)。頻率限于可聽(tīng)聲范圍內(nèi)，可控制的聲強(qiáng)范圍也有限。次聲頻率可達(dá)每小時(shí)一周以下，聲強(qiáng)可超過(guò)人耳所能接收高強(qiáng)聲音的幾千萬(wàn)倍。這些手段就給聲學(xué)各分支的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。對(duì)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(duì)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(xiàn)。聲表面波的速度只有電磁波的十萬(wàn)分之幾，相同頻率下波長(zhǎng)短得多，所以表面波器件的特點(diǎn)是小，在信號(hào)存儲(chǔ)上和信號(hào)濾波上都優(yōu)于電學(xué)元件，可在電路小型化中起很大作用。 聲波在固體和液體中的非線性特性可通過(guò)媒質(zhì)中聲速的微小變化來(lái)研究，應(yīng)用聲波的非線性特性可以實(shí)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（見(jiàn)非線性聲學(xué)）中。研究次聲可以更深入地了解上述這些自然現(xiàn)象。 研究液氦中的聲傳播也很有意義。對(duì)第一聲和第二聲的研究又得到另外兩種聲：第三聲超流態(tài)氦薄膜上超流體的縱波，第四聲多孔材料孔中液氦中超流體內(nèi)的壓縮波。近年來(lái)在地震觀測(cè)中，測(cè)定了固體地球的簡(jiǎn)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對(duì)月球內(nèi)部監(jiān)測(cè)的結(jié)果，也同樣令人滿意。已作到語(yǔ)言可以根據(jù)打字文稿按聲學(xué)規(guī)律合成聲音，有限詞 獲得良好的音質(zhì)匯的口語(yǔ)可以用機(jī)器自動(dòng)識(shí)別，口語(yǔ)也可以轉(zhuǎn)化為電碼或由電碼再轉(zhuǎn)換為聲音（聲碼器）并保存原來(lái)口語(yǔ)的特性。 聽(tīng)覺(jué) 聽(tīng)覺(jué)過(guò)程涉及生理聲學(xué)和心理聲學(xué)。1961年物理學(xué)家 ，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。外毛細(xì)胞基本是一排化學(xué)放大器，把振動(dòng)傳到內(nèi)毛細(xì)胞，激發(fā)其彎曲振動(dòng)，振動(dòng)達(dá)到某閾值以上時(shí)，與內(nèi)毛細(xì)胞接觸的神經(jīng)末梢就發(fā)出電脈沖，把信號(hào)通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)送入大腦。這是初步的理解，要建立起完整的聽(tīng)覺(jué)理論，解釋所有聽(tīng)覺(jué)現(xiàn)象，還需要做大量的工作，這涉及到對(duì)大腦功能的研究。主要原因是不能確定適當(dāng)?shù)膭┝浚曋委煹臋C(jī)理不明，不清楚是局部加熱的結(jié)果，還是促進(jìn)體液的流動(dòng)起的作用。牙科用超聲鉆鉆牙而絲毫不影響軟組織，可以大大減少病人的不適。近年來(lái)，對(duì)聲源發(fā)聲機(jī)理的研究受到注意，也取得了不少成績(jī)。全身振動(dòng)則可達(dá)到感覺(jué)不適、工作效率降低及至肌體損傷的程度，也應(yīng)加以保護(hù)。例如一個(gè)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲功率可開(kāi)動(dòng)一架大型客機(jī)，而大型客機(jī)的噪聲功率可開(kāi)動(dòng)一輛卡車。使在廳堂中聽(tīng)到的講話清晰、音樂(lè)優(yōu)美是建筑聲學(xué)的任務(wù)，廳堂音質(zhì)的主要問(wèn)題是室內(nèi)的混響。第二個(gè)因素常稱為擴(kuò)散。城市噪聲控制和音質(zhì)涉及了多方面的問(wèn)題，非常復(fù)雜，許多學(xué)科的專家都為此做出了重要貢獻(xiàn)，但還有待更深入的進(jìn)展。電子音樂(lè)合成器產(chǎn)生的樂(lè)音既可以模擬現(xiàn)有任何樂(lè)器的聲音，也可以創(chuàng)造出從來(lái)未有過(guò)的新樂(lè)音。語(yǔ)言通
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