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声学发展简史

声学发展简史………………………………………………………………1

现代声学的发展……………………………………………………………4

我国古代的声学研究………………………………………………………8

物理学分支发展简史（声学──电声学）………………………………10

声学发展简史

声音是人类最早研究的物理现象之一。

世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。

《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音。

三分损益法就是把管（笛、箫）加长三分之一或减短三分之一，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。

传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦作基础。

古代对声本质的认识与今天的声学理论很接近。

在东西方，都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的听觉。

对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。

从那时起直到19世纪，几乎同时代所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献。

声的传播问题很早就受到了注意，早在2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比。

1635年就有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进。

1738年，巴黎科学院的科学家利用炮声进行测量，得到0℃时空气声速为332m/s。

1827年瑞士物理学家丹尼尔和法国数学家斯特姆在日内瓦湖进行实验，得到声在水中的传播速度是1435m/s,这在当时“声学仪器”只有停表和人耳的情况下，是非常了不起的成绩。

人耳能听到的最低声强约为10-12W/m2,在1000Hz时相应的空气质点振动位移约是10-11m，可见人耳对声的接收本领确实惊人。

19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，1843年发现著名的电路定律的欧姆提出，人耳可把复杂的声音分解成谐波分量，并按分音大小判断音色的理论。

在欧姆声学理论的启发下，人们开展了听觉的声学研究（以后称为生理声学和心理声学），并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》。

至今完整的听觉理论还未能形成，目前人们对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究。

在语言和听觉范围内,理论的研究已导致了很多医疗设备的产生，如装在耳道内的助听器、人工喉、语言合成器、人工耳蜗等。

在封闭空间（如房间、教室、礼堂、剧院等）里面听语言、音乐，效果有的很好，有的很不好，这引起今天所谓建筑声学或室内音质的研究。

但直到1900年赛宾得到他的混响公式，才使建筑声学成为真正的科学。

1877年，瑞利出版了两卷《声学原理》，书中集19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果之大成，开创了现代声学的先河。

至今，特别是在理论分析工作中，还常引用这两卷巨著。

他开始讨论的电话理论，目前已发展为电声学。

20世纪，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生接收和利用任何频率、任何波形、几乎任何强度的声波，已使声学研究的范围远非昔日可比。

现代声学中最初发展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量。

以后，随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学。

在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促使水声学得到很大的发展。

20世纪初以来，特别是20世纪50年代以来，全世界由于工业、交通等事业的巨大发展，出现了噪声环境污染问题，而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展。

高速大功率机械应用日益广泛，非线性声学受到普遍重视。

此外还有音乐声学、生物声学。

多个分支学科的发展逐渐形成了完整的现代声学体系。

现代声学的发展

现代声学的研究可以追溯到英国的伟大物理学家牛顿的工作。

他在1687年推导了声速公式，但因为用错了常数，使实际测量的声速值与理论不符．直到1816年，拉普拉斯提出气体的弹性恒量应采用绝热过程（而不是恒温过程）的弹性恒量，而使理论与实测的值达到一致。

德国人克拉尼（1756～1827）是实验声学的创始人，他的名著《声学》是声学方面的第一本教科书，出版于1802年．一般认为，现代声学基础的奠基者是杰出的英国物理学家瑞利（1842～1919）．他在声学、振动理论、光学理论及热辐射方面都有贡献。

他于1877年发表了《声学理论》，基本上完成了声学的数学理论。

声学的发展和无线电电子学的发展是分不开的。

这里首先要提一下的是能把电信号变成声信号和把声信号变成电信号的换能装置。

1861年赖斯发明了第一个扬声器。

他在磁棒上绕上线圈，然后把它放在一个共振匣内，当变化的电流通过线圈时，由于电磁感应，线圈发生振动，通过共振匣发出了声音。

1877年美国大发明家爱迪生发明了机械留声机，它由一个用锡箔包着的圆筒和装着针尖的膜片组成。

当人对着话筒说话时，声压就从膜片传到针尖，转动锡箔圆筒，针尖就在锡箔上刻出沟纹．这一发明使人类第一次可以把声音存贮起来。

水声方面的奠基性工作是法国物理学家朗之万（1872～1946）完成的。

他于1914年利用电容发射器和一只放在凹镜面焦点的磁粒微音器在水下进行实验，接收到了海底回波以及200m以外的一块装甲板的回波。

1917年设计了第一台实用的回声定位仪．利用它，人们第一次收到了潜艇的回波。

此后水声在军事上的应用日见显著，特别是第二次世界大战，促使各国科学家从事声呐的研究，使水下反潜战的技术水平有了巨大的改观．美国海军实验室的乌立克博士总结了他近30年的工作，发表了《水声工程原理》一书，可以说是对这方面工作的一个很好的总结。

目前水声学已不只在军事上获得应用，在海洋开发方面也有许多应用。

例如近海油气田的数字地震勘探，大洋测温监视全球环境，失事飞机、海难救助的定位等。

超声在医学方面的应用开始于70年代．1972年发明了一种可以显示人体内脏器官的超声仪器，即B模式扫描超声诊断仪（俗称B超）。

将它用于产科诊断，获得了满意的结果．此后，各种不同体系结构的B超大量投入市场。

目前，高分辨的彩色B超所得到的图像可与解剖图媲美．近年来超声方面的一个重大进展是声表面波器件。

1885年，瑞利在理论上预言声波在某些固体上传播时，能量将集中于表面。

1965年第一次用叉指换能器有效地产生了声表面波。

于是声表面波器件获得了广泛的应用．目前已在电视、通信（无绳电话、寻呼电话）及雷达等方面使用声表面波器件。

次声学的研究也有很好的应用领域。

利用空气中的次声可以侦察核爆炸。

从1961年开始，美国在蒙大拿州的一块方圆几十平方公里的荒地上挖了深井，用于地震监视及侦察地下核爆炸。

噪声污染已与空气、水的污染并列为人类环境的三大污染，所以噪声控制就是各国所重视的解决环境问题的重要课题．各种消声方法，包括减振、人为屏蔽、有源消声等正在一些工业领域获得应用。

在声学发展史中值得一提的还有生物声学．其中蝙蝠和白鳍豚是两种在仿生学中有重大价值的动物．20世纪初，美国生理学家葛拉姆包斯指出，蝙蝠会用喉头发射超声，而用耳朵接收回声，因而可以在黑夜中飞行与捕食。

我国特有的一级保护动物白鳍豚是美国学者米勒1918年根据洞庭湖上的标本定名的。

研究表明，它有非常独特的回声定位系统．1980年1月我国在洞庭湖上捕获一头白鳍豚，取名“淇淇”，现驯养于中科院武汉水生所。

语言声学和生理声学是研究人类发声和语声，以及对声音感受的声学。

G．S．欧姆（1787～1854）提出了声音是由许多频率合成的概念。

亥姆霍兹发展了这一概念，采用谐振腔（我们现在正是以他的名字来命名的）对语言进行频率分析，从而奠定了语言声学的基础．他还对人耳听觉进行过研究，开创了生理声学这一分支。

建筑声学的发展也很早，它和古代宫殿、教堂和剧院的建筑有关。

由于声波传播速度远比光波低，在室内传播时会发生多次反射而互相干涉。

室内任何一点的声强度都是一个相当复杂的量。

直到1900年赛宾提出了混响的概念，人们才对很多声学现象有了较好的理解。

 　　现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。

所以声学既有经典性质，也有量子性质。

　　声学的中心是基础物理声学，它是声学各分支的基础。

声可以说是在物质媒质中的机械辐射，机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播。

人类的活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所。

　　声学的边缘科学性质十分明显，边缘科学是科学的生长点，因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。

　　声波在气体和液体中只有纵波。

在固体中除了纵波以外，还可能有横波（质点振动的方向与声波传播的方向垂直），有时还有纵横波。

　　声波场中质点每秒振动的周数称为频率，单位为赫（Hz）。

现代声学研究的频率范围为万分之一赫兹到十亿赫兹，在空气中可听到声音的声波长为17毫米到17米，在固体中，声波波长的范围更大，比电磁波的波长范围至少大一千倍。

声学频率的范围大致为：

可听声的频率为20～20000赫，小于20赫为次声，大于20000赫为超声。

　　声波的传播与媒质的弹性模量，密度、内耗以及形状大小（产生折射、反射、衍射等）有关。

测量声波传播的特性可以研究媒质的力学性质和几何性质，声学之所以发展成拥有众多分支并且与许多科学、技术和文化艺术有密切关系的学科，原因就在于此。

声波强度用单位面积内传播的功率（以瓦／米2为单位）表示，但是在声学测量中功率不易直接测量得，所以常用易于测量的声压表示。

在声学中常见的声强范围或声压范围非常大，所以一般用对数表示。

称为声强级或声压级，单位是分贝（dB）。

我国古代的声学研究

我们祖先对声学知识的认识，是从乐器制造开始的，在实践中初步掌握了多种发音原理、多种材料发声与传声的性能、乐器形状对发声的关系等等。

如在春秋战国时期，已明确指出“薄厚之所震动，清浊之所由出”，表明薄钟和厚钟的振动是钟声清浊的来源。

同时还记载着不同形状的钟体对声音的产生和传播会产生不同的影响。

当时也知道了共振现象，如《庄子》一书中就记载了调瑟时发生的共振现象。

与此同时，也能想办法来消除声音，如战国时期的空心砖就是一种隔音技术。

东汉王充的《论衡》中第一次讲到人声是因喉舌鼓动空气而发生的，箫笙之声也是空气振动的结果。

北宋的沈括（1031—1095）在《梦溪笔谈》一书中记载了关于乐律、古琴的制作和传声、古乐钟的发声、共鸣现象等声学知识，并记载了声的共振实验。

我国古代还出现了不少具有声学特性的建筑，名扬天下，如明代建成的北京天坛，其中的回音壁、三音石和圜丘就具有良好的声学特性的建筑物。

我国是世界上的文明古国．根据对现存的有关古书及文物的考证可以看出，我国古代有关声学方面的知识是从制造、使用乐器开始的．早在公元前11世纪的商代，我国已能制造石磬（音qìng）和成套的铜铙（音náo）等乐器。

经过对河南安阳大司空村出土的商代后期铜铙的研究，可以推测当时已具有现代十二音律中的九律，并已有了五度谐音的概念。

根据《汉书·律历志》记载，在西周后期（公元前11世纪）已用各种质料制作乐器，提出所谓“八音”，即

土曰埙

匏曰笙

皮曰鼓

竹曰管

丝曰弦

石曰磬

金曰钟

木曰柷

中国是世界上制造乐钟最早的国家。

编钟是我国古代的一种重要乐器。

1978年在湖北随县出土战国时代曾侯乙编钟，附有钟架、配件，精美罕见。

墓葬时间为公元前433年．全部3层，64件，总重超过2500kg．这套编钟总音域跨五个八度，可以演奏出完整无缺的半音阶。

公元前4～3世纪间成书的《墨经》中有大量的有关声学方面的记载。

其中有一段关于利用挖地井埋缸听测地声的记录．这种方法，现代仍在使用。

我国东汉时期的思想家王充（约27～99）在《论衡》中曾有关于喉舌鼓动空气而发声的叙述。

到了明朝，著名学者宋应星明确提出声波的概念。

他在《论气·气声篇》中指出“气