聲學(xué)的發(fā)展歷史過(guò)程

聲學(xué)的發(fā)展歷史過(guò)程

　　聲音是人類(lèi)最早研究的物理現象之一。世界上最早的聲學(xué)研究工作主要在音樂(lè )方面�！秴问洗呵铩酚涊d，黃帝令伶倫取竹作律，增損長(cháng)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(cháng)三分之一或減短三分之一，這樣聽(tīng)起來(lái)都很和諧，這是最早的聲學(xué)定律。傳說(shuō)在古希臘時(shí)代，畢達哥拉斯也提出了相似的自然律，只不過(guò)是用弦作基礎。

　　古代對聲本質(zhì)的認識與今天的聲學(xué)理論很接近。在東西方，都認為聲音是由物體運動(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)。對聲學(xué)的系統研究是從17世紀初伽利略研究單擺周期和物體振動(dòng)開(kāi)始的。從那時(shí)起直到19世紀，幾乎同時(shí)代所有杰出的物理學(xué)家和數學(xué)家都對研究物體的振動(dòng)和聲的產(chǎn)生原理作過(guò)貢獻。

　　聲的傳播問(wèn)題很早就受到了注意，早在2000年前，中國和西方就都有人把聲的傳播與水面波紋相類(lèi)比。1635年就有人用遠地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進(jìn)。1738年，巴黎科學(xué)院的科學(xué)家利用炮聲進(jìn)行測量，得到0℃時(shí)空氣聲速為332m/s。1827年瑞士物理學(xué)家丹尼爾和法國數學(xué)家斯特姆在日內瓦湖進(jìn)行實(shí)驗，得到聲在水中的傳播速度是1435m/s，這在當時(shí)“聲學(xué)儀器”只有停表和人耳的情況下，是非常了不起的成績(jì)。

　　人耳能聽(tīng)到的最低聲強約為10—12W/m2，在1000Hz時(shí)相應的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移約是10—11m，可見(jiàn)人耳對聲的接收本領(lǐng)確實(shí)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)現著(zhù)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(xué)理論的啟發(fā)下，人們開(kāi)展了聽(tīng)覺(jué)的聲學(xué)研究（以后稱(chēng)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》。至今完整的聽(tīng)覺(jué)理論還未能形成，目前人們對聲刺激通過(guò)聽(tīng)覺(jué)器官、神經(jīng)系統到達大腦皮層的過(guò)程有所了解，但這過(guò)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。在語(yǔ)言和聽(tīng)覺(jué)范圍內，理論的研究已導致了很多醫療設備的產(chǎn)生，如裝在耳道內的助聽(tīng)器、人工喉、語(yǔ)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(tīng)語(yǔ)言、音樂(lè )，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)。

　　1877年，瑞利出版了兩卷《聲學(xué)原理》，書(shū)中集19世紀及以前兩三百年的大量聲學(xué)研究成果之大成，開(kāi)創(chuàng )了現代聲學(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(zhù)。他開(kāi)始討論的電話(huà)理論，目前已發(fā)展為電聲學(xué)。

　　20世紀，由于電子學(xué)的發(fā)展，使用電聲換能器和電子儀器設備，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(xué)研究的范圍遠非昔日可比�，F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)以及相應的電聲測量。以后，隨著(zhù)頻率范圍的擴展，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(tīng)覺(jué)，發(fā)展了生理聲學(xué)和心理聲學(xué)；由于對語(yǔ)言和通信廣播的研究，發(fā)展了語(yǔ)言聲學(xué)。

　　在第二次世界大戰中，開(kāi)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世紀初以來(lái)，特別是20世紀50年代以來(lái)，全世界由于工業(yè)、交通等事業(yè)的巨大發(fā)展，出現了噪聲環(huán)境污染問(wèn)題，而促進(jìn)了噪聲、噪聲控制、機械振動(dòng)和沖擊研究的發(fā)展。高速大功率機械應用日益廣泛，非線(xiàn)性聲學(xué)受到普遍重視。此外還有音樂(lè )聲學(xué)、生物聲學(xué)。多個(gè)分支學(xué)科的發(fā)展逐漸形成了完整的現代聲學(xué)體系。

　　【擴展】

　　聲學(xué)又是當前物理學(xué)中最活躍的學(xué)科之一。聲學(xué)日益密切地同聲多種領(lǐng)域的現代科學(xué)技術(shù)緊密聯(lián)系，形成眾多的相對獨立的分支學(xué)科，從最早形成的建筑聲學(xué)、電聲學(xué)直到目前仍在“定型”的“分子—量子聲學(xué)”、“等離子體聲學(xué)”和“地聲學(xué)”等等，目前已超過(guò)20個(gè)，并且還有新的分支在不斷產(chǎn)生。其中不僅涉及包括生命科學(xué)在內的幾乎所有主要的基礎自然科學(xué)，還在相當程度上涉及若干人文科學(xué)。這種廣泛性在物理學(xué)的其它學(xué)科中，甚至在整個(gè)自然科學(xué)中也是不多見(jiàn)的。

　　在發(fā)展初期，聲學(xué)原是為聽(tīng)覺(jué)服務(wù)的。理論上，聲學(xué)研究聲的產(chǎn)生、傳播和接收；應用上，聲學(xué)研究如何獲得悅耳的音響效果，如何避免妨礙健康和影響工作的噪聲，如何提高樂(lè )器和電聲儀器的音質(zhì)等等。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現聲波的很多特性和作用，有的對聽(tīng)覺(jué)有影響，有的雖然對聽(tīng)覺(jué)并無(wú)影響，但對科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)卻很重要，例如，利用聲的傳播特性來(lái)研究媒質(zhì)的微觀(guān)結構，利用聲的作用來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應等等。因此，在近代聲學(xué)中，一方面為聽(tīng)覺(jué)服務(wù)的研究和應用得到了進(jìn)一步的發(fā)展，另一方面也開(kāi)展了許多有關(guān)物理、化學(xué)、工程技術(shù)方面的研究和應用。聲的概念不再局限在聽(tīng)覺(jué)范圍以?xún)�，聲振�?dòng)和聲波有更廣泛的含義，幾乎就是機械振動(dòng)和機械波的同義詞了。

　　自然界從宏觀(guān)世界到微觀(guān)世界，從簡(jiǎn)單的機械運動(dòng)到復雜的生命運動(dòng)，從工程技術(shù)到醫學(xué)、生物學(xué)，從衣食住行到語(yǔ)言、音樂(lè )、藝術(shù)，都是現代聲學(xué)研究和應用的領(lǐng)域。

　　聲學(xué)的分支可以歸納為如下幾個(gè)方面：

　　從頻率上看，最早被人認識的自然是人耳能聽(tīng)到的“可聽(tīng)聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語(yǔ)言、音樂(lè )、房間音質(zhì)、噪聲等，分別對應于語(yǔ)言聲學(xué)、音樂(lè )聲學(xué)、房間聲學(xué)以及噪聲控制；另外還涉及人的聽(tīng)覺(jué)和生物發(fā)聲，對應有生理聲學(xué)、心理聲學(xué)和生物聲學(xué)；還有人耳聽(tīng)不到的聲音，一是頻率高于可聽(tīng)聲上限的，即頻率超過(guò)20000Hz的聲音，有“超聲學(xué)”，頻率超過(guò)500MHz的超聲稱(chēng)為“特超聲”，其對應的波長(cháng)約為10—8m量級，已可與分子大小相比擬，因而對應的“特超聲學(xué)”也稱(chēng)為“微波聲學(xué)”或“分子聲學(xué)”。

　　超聲的頻率還可以高1014Hz。二是頻率低于可聽(tīng)聲下限的，即是頻率低于20Hz的聲音，對應有“次聲學(xué)”，隨著(zhù)次聲頻率的繼續下降，次聲波將從一般聲波變?yōu)椤奥曋亓Σā�，這時(shí)必須考慮重力場(chǎng)的作用；頻率繼續下降以至變?yōu)椤皟戎亓Σā�，這時(shí)的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10—4Hz。需要說(shuō)明的是，從聲波的特性和作用來(lái)看，所謂20Hz和20000Hz并不是明確的分界線(xiàn)。例如頻率較高的可聽(tīng)聲波，已具有超聲波的某些特性和作用，因此在超聲技術(shù)的研究領(lǐng)域內，也常包括高頻可聽(tīng)聲波的特性和作用的研究。

　　從振幅上看，有振幅足夠小的一般聲學(xué)，也可稱(chēng)為“線(xiàn)性（化）聲學(xué)”，有大振幅的“非線(xiàn)性聲學(xué)”。

　　從傳聲的媒質(zhì)上看，有以空氣為媒質(zhì)的“空氣聲學(xué)”；還有“大氣聲學(xué)”，它與空氣聲學(xué)不同的是，它主要研究大范圍內開(kāi)闊大氣中的聲現象；有以海水和地殼為媒質(zhì)的“水聲學(xué)”和“地聲學(xué)”；在物質(zhì)第四態(tài)的等離子體中，同樣存在聲現象，為此，一門(mén)尚未成型的新分支“等離子體聲學(xué)”正應運而生。

　　從聲與其它運動(dòng)形式的關(guān)系來(lái)看，還有“電聲學(xué)”等等。

　　聲學(xué)的分支雖然很多，但它們都是研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應的，這是它們的共性。只不過(guò)是與不同的領(lǐng)域相結合，研究不同的頻率、不同的強度、不同的媒質(zhì)，適用于不同的范圍，這就是它們的特殊性。

　　補：音調的高低與頻率有關(guān) 最主要的：發(fā)聲的物體在振動(dòng)

　　聲音是由（振動(dòng)）產(chǎn)生

　　聲音具有能量。

　　超聲波速度測定器就是根據多普勒效應原理制成的。

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