聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史

ABRIEFHISTORYOFACOUSTICS

主講

劉世清

Keynotespeaker

Dr.

ShiqingLiu

數(shù)理與信息工程學(xué)院CollegeofMaths&PhysicsofZhejiangNormalUniversity教學(xué)內(nèi)容概述聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史現(xiàn)代聲學(xué)簡(jiǎn)介聲學(xué)儀器聲學(xué)研究范圍1概述

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

用?，F(xiàn)代聲學(xué)更是一門具有廣泛應(yīng)用性的學(xué)科，對(duì)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和我國(guó)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(xué)學(xué)科已經(jīng)大大超越了物理學(xué)的經(jīng)典范疇，而成為包括信息、電子、機(jī)械、海洋、生命、能源等學(xué)科在內(nèi)的充滿活力的多學(xué)科交叉學(xué)科。隨著與當(dāng)代電子與信息科學(xué)技術(shù)的不斷融合，以及聲學(xué)研究手段的不斷進(jìn)步，聲學(xué)無疑是廿一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科之一，并將迎來其更輝煌的篇章。

2聲學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)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，并且當(dāng)前仍處在前沿地位的物理學(xué)分支學(xué)科。世界上最早的聲學(xué)研究工作主要在音樂方面。《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”。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，這樣聽起來都很和諧，這是最早的聲學(xué)定律。據(jù)史料記載，在古希臘時(shí)代，畢達(dá)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(duì)聲本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與今天的聲學(xué)理論很接近。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，引起人的聽覺。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)開始的。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)研究物體的振動(dòng)和聲的產(chǎn)生原理作過貢獻(xiàn)。聲的傳播問題則更早就受到了注意，幾乎在2000多年前，中國(guó)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(yuǎn)地槍聲測(cè)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)行了測(cè)量，將測(cè)得結(jié)果進(jìn)行折合,得到0℃的空氣聲速為332m/s,與目前最準(zhǔn)確的數(shù)值331.45m/s只差0.15%。1827年瑞士物理學(xué)家樂克拉頓和法國(guó)數(shù)學(xué)家斯特姆相約到日內(nèi)瓦湖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(cè)量獲得成功。這在當(dāng)時(shí)“聲學(xué)儀器”只有停表和人耳的情況下，的確是了不起的成績(jī)。直到19世紀(jì)末，接收聲波的“儀器”還只有人耳，人耳能聽到的最低聲強(qiáng)約為10-12W/m2,在1000Hz時(shí)相應(yīng)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(duì)聲的接收確實(shí)驚人。19世紀(jì)中就有不少人耳解剖的工作和對(duì)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(fù)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，人們開展了聽覺的聲學(xué)研究(以后稱為生理聲學(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》。至今完整的聽覺理論還未能形成，目前人們對(duì)聲刺激通過聽覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)到達(dá)大腦皮層的過程有所了解，但這過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。在語言和聽覺范圍內(nèi),理論的研究已導(dǎo)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(xué)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(xué)成為真正的科學(xué)。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，開創(chuàng)了現(xiàn)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。他開始討論的電話理論，目前已發(fā)展為電聲學(xué)。

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?，F(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。以后，隨著頻率范圍的擴(kuò)展，又發(fā)展了超聲學(xué)和次聲學(xué)；由于手段的改善，進(jìn)一步研究聽覺，發(fā)展了生理聲學(xué)和心理聲學(xué)；由于對(duì)語言和通信廣播的研究，發(fā)展了語言聲學(xué)。在第二次世界大戰(zhàn)中，開始把超聲廣泛地用到水下探測(cè)，促使水聲學(xué)得到很大的發(fā)展（PaulLangevin）。20世紀(jì)初以來，特別是20世紀(jì)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(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。非線性聲學(xué)受到普遍重視。此外還有音樂聲學(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(xiàn)代聲學(xué)體系。3

現(xiàn)代聲學(xué)的內(nèi)容

現(xiàn)代聲學(xué)研究主要涉及聲子的運(yùn)動(dòng)、聲子和物質(zhì)的相互作用，以及一些準(zhǔn)粒子和電子等微觀粒子之間的特性。所以聲學(xué)既有經(jīng)典性質(zhì)，也有量子性質(zhì)。聲學(xué)的中心是基礎(chǔ)物理聲學(xué)，它是聲學(xué)各分支的基礎(chǔ)。聲可以說是在物質(zhì)媒質(zhì)中的機(jī)械輻射，機(jī)械輻射的意思是機(jī)械擾動(dòng)在物質(zhì)中的傳播。人類的活動(dòng)幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語言音樂，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。聲學(xué)的邊緣科學(xué)性質(zhì)十分明顯，邊緣科學(xué)是科學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)，因此有人主張聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)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(diǎn)振動(dòng)的方向與聲波傳播的方向垂直），有時(shí)還有縱橫波等。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）。現(xiàn)代聲學(xué)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(zhǎng)為17mm到17m，在固體中，聲波波長(zhǎng)的范圍更大，比電磁波的波長(zhǎng)范圍至少大一千倍。聲學(xué)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(cè)量聲波傳播的特性可以研究媒質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和幾何性質(zhì)，聲學(xué)之所以發(fā)展成擁有眾多分支并且與許多科學(xué)、技術(shù)和文化藝術(shù)有密切關(guān)系的學(xué)科，原因就在于此。4聲學(xué)儀器

20世紀(jì)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(qiáng)范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時(shí)用歌弧、歌焰作定性比較，電話上的接收器和傳聲器還很簡(jiǎn)陋，難于用作測(cè)試儀器。

20世紀(jì)以后，人們把電路理論應(yīng)用于聲學(xué)換能器的設(shè)計(jì)，把晶體的壓電性用于聲信號(hào)和電信號(hào)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(hào)，使聲的產(chǎn)生和接收幾乎不受頻率和強(qiáng)度的限制

近年用半導(dǎo)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(dá)每小時(shí)一周以下，聲強(qiáng)可超過人耳所能接收高強(qiáng)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(xué)測(cè)量分析儀器也達(dá)到了高度準(zhǔn)確的程度，以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試設(shè)備可完成多種測(cè)試要求，60年代需要幾天才能完成的測(cè)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(duì)聲速和聲衰減的測(cè)量研究物質(zhì)特性已應(yīng)用于很廣的范圍。目前測(cè)出在空氣中，實(shí)際的吸收系數(shù)比19世紀(jì)斯托克斯和基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導(dǎo)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(gè)事實(shí)導(dǎo)致了人們對(duì)弛豫過程的研究，這在對(duì)液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用。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、聲全息、聲成像、非線性聲學(xué)、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(cè)方法的重要發(fā)展。將聲信號(hào)變成電信號(hào)，而電信號(hào)可經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)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(duì)象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測(cè)方法。用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達(dá)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(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中。聲波可以透過所有物體：不論透明或不透明的，導(dǎo)電或非導(dǎo)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(diǎn)陣等微小部分都是聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。近年來在地震觀測(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。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)從而避免大量傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

5聲學(xué)研究?jī)?nèi)容及分支聲波的產(chǎn)生聲波的傳播聲波的接收研究?jī)?nèi)容聲學(xué)分支

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

聲學(xué)范圍

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

(medicaltreatmentofB-typeultrasound)超聲探傷，超聲檢測(cè)，超聲測(cè)厚，超聲測(cè)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

↓↓λ=↓c/f↑SonicBoom(ShockWaves)Ifasourc