声学发展过程

1、毕业论文 题目名称：声学发展过程系部名称：物理与信息工程学院物理学班 级：1101班学 号：1152010147学生姓名：童钰雯指导教师：刘吉利2015年 05 月 论文题目摘 要 声音是人类最早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是在音乐方面。对声学的系统研究是从初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。声学就好比一棵繁茂的大树，她枝繁叶茂，有着许多的分支，无论是超声学、次声学、建筑声学、音乐声学、水声学、电声学、生物声学,此外还有音乐声学、生物声学,逐渐形成了完整的现代声学体系。各个领域都有声学的身影，它更是活跃在科学前沿的学科之一。关键词： 声学; 振动; 声波; 频率目 录

2、摘 要I一、 纷繁复杂的声音世界1 二、声音的起源2三、追逐人类探索声音的脚步2（一）超声波2（二）次声波3四、声学系统研究之路4（一）20世纪前的研究过程4（二）生理声学和心理声学41. 音乐对身理辅助治疗42. 音乐对心理的好处4五、近代声学发展及前景5 （一）近代声学发展概况.5 （二）噪声.6 1.噪声的烦扰.6 2.控躁措施.7 （三）建筑声学.8 （四）语言声学.8 （五）热声学.9致 谢6参考文献7附录A: 8 18 声学发展过程一、纷繁复杂的声音世界奇妙的世界中，杂七杂八的声音合在一块儿，构成一曲又一曲美丽悦耳的自然交响曲。从古代到如今人们对各种各样的声音充满了好奇，前辈们一直

3、渴望能踩着大自然美妙的声音在精彩的不知道的地球上散步。声音老是让人留恋，古曲流传至今：如清泉入心，鸟儿鸣唱，山呼叫着海咆哮着.无不令人迷而忘离；小雨纷纷洒洒，叮铃丁零咚咚地响，透彻心扉。生活里声音分分钟地在人类四周扮着非常多的角儿，就如空气，我们必须呼和吸。早在文字没出现之前就出现了声音，人们用声音了解信息，靠声音分辨四方，靠声音表述情感，靠声音表达感情。在原始社会人类用各种器物碰撞发出的刺耳并且雄浑有力的声音惊吓野兽从而驱赶凶猛的野兽，后来，人们发现不同的东西之间碰撞发出的声音是不一样的，有好听的有刺耳的有高亢的也有低沉的，随着时间推移人们发明了各种各样的乐器，它们能奏出让人听起来愉悦的声音

4、，同时，人们可以创造出许许多多优美的歌曲，歌曲与说话同样都是靠声带振动发声为什么会有不同的声音发出来呢？为什么不同的乐器能发出不同的音乐？为什么风雨雷电，山川河流都能发出不同的声音？古人对这些现象颇为惊奇，而随着时间的推移，历史的车轮一直向着真理前进，无数的先哲科学家们用他们坚持不懈的毅力，追求真理的精神一层层地揭开这些神奇现象的面纱。随着人类文明进程逐渐地发展，人们对于声音的研究已经不仅仅局限于书画唱歌奏乐，而是更系统更理论地研究声音的产生传播以及在各个方面的应用。现今社会，声学活跃在人类社会的各个角落，几乎所有的领域都有着声学的身影。人类研究回声，从而知道了如何通过声音来测量速度；人类研究

5、海豚的歌声，从而发明了声呐；人类研究蝙蝠，从而发明了雷达。微波炉进入千家万户，成为家庭主妇的好帮手；电话无处不在，手机更是人们的必需品；超声波治疗仪，为病人解决了疑难杂症，连顽固的结石，也能轻松地铲除。古老的天坛，依然回响着它见证的一段段王朝兴衰；英国伦敦大本钟，仍能敲响那悠远深沉的钟声；悉尼歌剧院，让悠扬的音乐响彻世界。声学就好比一棵繁茂的大树，她枝繁叶茂，有着许多的分支，无论是超声学、次声学、建筑声学、音乐声学、水声学、电声学、生物声学等等，各个领域都有声学的身影，它更是活跃在科学前沿的学科之一，并在不断地发展中为人类造福。因此我们了解声学，至少要了解它从何而来，如何来，又到何处去，如何去

6、，让我们带着疑问来继续我们的旅程吧。二、声音的起源 从上古时期起一直到19世纪，人们都是把声音理解成是可听声的同义词。尽管声、音、乐三者不同，但都是指那些可以听到的现象。同时又说有“凡响曰声”、声音引起的感觉（声觉）是响，但也称为声，与现代对声的定义相同。西方也是如此，acoustics的词源是希腊文akoustikos，意思是“听觉”。据吕氏春秋之中记载，皇帝命令伶伦取竹作律，增损长短成为十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就是把管（笛、萧等）加长三分之一或减短三分之一，使管发出的声音听起来都很和谐很优美，三分损益法是世界上最早的声学定律。南宋时，朱熹和姜夔著文立说，详细阐述古琴按

7、音与泛音节点对应的音域区域。清朝小学和琴乐律学的同步发展，最终形成“琴律切音说”的显著研究成果，使得汉语语音和琴律对应关系研究，达到一个全新的阶段。“琴律切音说”在明末已有著述，作者提出具体问题可参见葛中选著太律。紧接其后的清初到清末的大量著述使“琴律切音说”形成理论与操作的完整结构。同时，传说希腊时代，毕达哥拉斯也曾提出了过相类似的自然律，但是毕达哥拉斯用弦作最为研究的基础。中国1957年河南信阳出土的“帠佀”蟠螭文编钟是为纪念晋国于公元前 525年与楚作战而铸造的。其音阶完全符合自然律，音色清纯，可以用来演奏现代音乐，这是中国古代声学成就的证明。在以后的2000多年中，对乐律的研究更是有不

8、少进展。到了明朝明皇室朱载堉于1584年提出的十二平均律，与当代西方乐器制造中使用的乐律完全相同，但它要比西方早提出300年左右。古代除了对声传播方式的认识外，对声本质的认识与今天的完全相同。声学是物理学中开展时间最早、研究内容最丰富、形成理论最完备的学科之一。古代学者在著作中记录了各种各样的声现象，对声波和共振也有了较为深刻的认识，尤其以在音乐方面的认识最多，而律学方面更是有大量留存的数据理论资料，其中朱载堉首创的十二等程律，更是成为了古代声学发展的高峰，在管口校正上的成就令19世纪欧洲的声学家感到惊讶。此外，建筑、军事、生产等众多领域的需要，使人类对声学的研究更进一步。在人类发展进程中科学

9、家从没有停止过对声学领域的探索，而我国古代科学家更是在声学的研究上作出了巨大的贡献。至今声学仍处在物理学发展的前沿。对于声学我们需要有一个宏观的概念，顾名思义，声学就是研究声音的科学，声学是物理学分支学科之一，是研究物质媒介中机械波的产生、传播、接受和效应的科学、而物质媒介包括各态如固体、液体和气体等可以是非弹性煤质。机械波是指质点运动变化（包括位移、速度、加速度中某一种或者几种的变化）的传播现象。而机械波就是我们所说的声波，音乐的萌芽与繁荣，乐器的制造以及品种的增多，都是声学这门学科的重要源泉。从上古时期到19世纪人类始终认为声音就是可听声，即只有我们能听到的才是声音。其实还有一些声音是我们

10、不能听到的或是超出人类所能承受的范围的声音，即超声波、次声波等。古人对声波的认识只停留在桥积水盆而水会泛起波纹的阶段。经过科学家们不断地实验研究，对于声学有了更加准确的认识，一般物理学上音调与发声体振动的频率有关。振动频率越高，音调越高。人耳能听的声音即可听声的频率在2020000Hz之间，而频率低于20Hz的就是次声波，高于20000Hz的就是超声波。声的响度是指音的大小，与物体的振动幅度有关，振幅愈大，声的响度就越大。而音色与声的材料、结构有关，人们可以根据音色辨别乐器或区分人。这里说的超声波是一种方向性好，穿透力度强，能比较容易地获得较较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清

11、洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，被应用于多种领域。（1） 超声波 超声波的发现还有一个有趣的故事。1793年夏天的一个晚上，斯帕拉捷（拉扎罗·斯帕拉捷Lazzaro Spallanzani是意大利著名的博物学家、生理学家和实验生理学家）吃过晚餐，见夜幕已笼罩着大地，便将笼子里的几只用来做实验的蝙蝠放了出去。斯帕拉捷这才发现，原来天空中早就有几只蝙蝠在飞舞。它们还不断地发出“吱吱”的叫声。放出去的蝙蝠也像那几只一样，飞得十分起劲。斯帕拉捷看后感到吃惊：“这几只怎么也会飞？可它们的眼睛都已被我刺伤了呀！”斯帕拉捷为何要刺伤蝙蝠的眼睛？ 原来生于意大利的斯帕拉捷，从小就很热爱生活，也爱提些怪问

12、题。有一年夏天，他发觉蝙蝠能在漆黑的夜空中畅通无阻的飞行，而他自己却什么也看不见，只能听见蝙蝠边飞边“吱吱”地叫个不停。于是，他想，蝙蝠肯定长着一对有着特殊功能的“夜光眼”，要不然它怎么能在漆黑的夜空里捕捉到食物呢？喜欢大胆想象的斯帕拉捷，居然想出一个馊主意：把蝙蝠的眼睛刺瞎，看它夜晚怎么飞？可是，他的恶作剧并没有按照他的设想上演。被刺瞎了眼睛的蝙蝠，照样若无其事地飞来飞去，既没有胡乱撞到墙上，也没有撞在树上，更没有翻空中筋头。斯帕拉捷有点失望，但他没有放弃，他想：“没有眼睛照样飞行自如，那它是靠什么来辨别方向的呢？”这个问题又激起了斯帕拉捷研究蝙蝠的兴趣。通过反复观察，斯帕拉捷终于揭开了蝙蝠

13、在夜间飞行的秘密。原来它在夜间飞行时，并不是用眼睛观察方向，而是靠听觉来辨别方向、捕捉食物。谁都知道，靠眼看，靠耳听，而蝙幅既然是用耳朵“看”！有一个问题开始困扰斯帕拉捷了，蝙蝠究竟是怎么个“看”法呢？当时，斯帕拉捷尚未完全弄清楚这个问题的缘由。踏着他开辟的道路，人们很快就弄清了这个问题，原来蝙蝠是利用“超声波”在夜间导航的：它能发出一种高频声波，这种声波沿着直线向前传播传播，一碰到障碍物便马上象光照在镜子上一样反射回来，它的耳朵能接收到这种信号，然后就能立即作出判断：有东西！而所有的这些只在瞬间即可完成。这就是蝙蝠夜间飞行的秘密。20世纪50年代，英国的唐纳德医生发现，用超声波可以探测到孕妇

14、腹中的胎儿的生长发育及活动情况，并能确定是不是双胞胎以及胎儿是否为畸形。此外，超声波还可以用来诊断肝肿大、胆结石以及肾、眼球、乳房等器官的病症。超声波探测技术在医学上的应用，大大推动了医学的发展。 如今，超声波已经被广泛应用，如用于物探、诊病、导航以及其他科研。 （2） 次声波 另一种听不到的声音就是次声波。次声波不易衰减，不容易被水和空气吸收，而且它的波长往往很长，因此能绕开某些大型障碍物而发生衍射，更神奇的是某些次声波能绕地球23周。但有时也是极具危害的，它和人体某些器官的振动频率相近，容易和人力器官产生共振，对人体有很大的危害性，危险时可以危及人的生命。次声波主要产生于台风、地震、雷电、

15、火山爆发、海浪、极光等自然现象，以及火箭发射、核爆炸、巨型飞机起飞、超大型建筑物的振动等。次声波在大气中的传播速度与声波相同，由于大气对次声波的吸收比声波要小得多，因此，具有传播距离远的突出特点。如1967 年前苏联在北极圈内新地岛进行1500 万吨TNT 当量的核爆炸，所发出的次声波绕地球5 圈。虽然有时次声波对人体有危害，但是对自然现象所产生的次声进行研究分析，也可以解读极光活动的规律，预报台风和风暴，预测火山爆发和地震等。在海上风暴来临之前，海豚、水母和鱼类等纷纷想远离海岸的地方转移，海鸥也突然消声匿迹。这些动物是怎么预感到“暴风雨就要来了”呢？原来它们灵敏的听觉能“听”见风暴的“前奏曲

16、”次声波。对次声的研究和应用，是现代声学的新兴分支学科，是声学要探究的前沿。 但是，作为万物之灵的人类却没有这份灵敏的“听觉”，感觉不到次声波。人耳朵一般能听到的声音，振动频率在2020000Hz之间。频率高于20000Hz的声音称为超声；频率低于20Hz的声音称为次声。超声和欢声都是一般人耳听不见的。人类第一次感觉到次声波的“刺痛”的记载是在 1932年夏天，一艘名叫“塔依梅尔”号的探险船在北极地区航行，船上有一位气象学家在进行气象探测时，偶然发现了一个奇怪的现象：他在向辽阔的海洋上放送一个探空气球的时候，无意中气球贴近他自己的脸，突然，耳朵里一阵剧烈的刺痛，使他立刻大声喊叫了起来。科学家们

17、将发生的这一插曲记在航行的值班日记里，奇怪的是，在当天夜间刮起了强烈的海上风暴。这一个小插曲，使人们感觉到了风暴和这下插曲之间的联系，并对此进行了研究。研究的结果表明：一种人耳听不见的声波在传播过程中与气球发生共振，而共振后的振荡使入耳使人耳感到疼痛。这种次声波是由于风暴不断地掀起波涛，海浪冲击海域而产生的。由于声波的速度大于风暴的速度，人们往往是先感觉到次声波，紧接着而来的才是风暴。现在人们已广泛地利用次声波来预测风暴的来临，如模仿水母耳设计成功了电子风暴预报器。它由喇叭接收次声波，经过球形共振器放大，再把声共振转变为电脉冲，于是可在15小时以前把风暴的来临预报出来，并能测得风暴的大小和方向

18、。四、声学系统研究之路 （一）20世纪前的研究过程人类经过几个世纪对声音的探索，通过对前人经验的总结和自身不懈的实验，终于开启了对声学成系统的研究之路。对声学进行系统的研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。从这时开始直到19世纪，几乎所有杰出的数学家和物理学家都为研究物体振动和声音的产生原理做出过巨大的贡献。声的传播问题则在很早就被到科学家注意，几乎同时，在2000年前中国和西方都曾有人把声音与水面波纹来做比较。到1635年就有人用远地枪声来测声速，前提是假设闪光传播不需要时间。以后的方法经过不断改进，到1738年巴黎科学院使用炮声进行测量，测得结果折合到在0°C时，

19、声速为332m/s，与使用精密的声学仪器测出的最准确的数值331.45m/s只相差了1.5，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下应经是很了不起的成绩了。牛顿在1687年出版的自然哲学的数学原理中根据推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质，等等，经过复杂而难懂的推导求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。L.欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是由此算出的声速只有288m/s，与实验值相差非常大大。随后J.L.R.达朗伯于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。直到1816年，P.S.M.拉普拉斯指出只有在声波传播中空气温度不变时牛

20、顿的推导才正确，但实际上在声波传播过程中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程，因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比（定压比热容与定容比热容的比） 与密度之比。据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。 直到19世纪末，接收声波的仪器只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10-6W/m2(声压20Pa)，在1000Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10-11m)，只有空气分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收确实惊人。19世纪中就有不少人进行了对耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，但至今都还没能形成系统完整的听觉理论。虽然对声音刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过

21、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。在音调与频率的关系明确后，对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究。发现著名的电路定律的G.S.欧姆于1843年提出人耳可把复杂的声音分解为谐波分量，并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下，许多科学家开展了听觉的声学研究（以后称为生理声学和心理声学），并取得重要的成果，其中最有名的是 H.von亥姆霍兹的音的感知。即在关闭空间，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W.C.赛宾得到他的混响公式，才使建筑声学成为真正的科

22、学。 19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果的最后总结者是瑞利，他在1877年出版的两卷声学原理中集经典声学的大成开现代声学的先河。至今，特别是在理论分析工作中还经常被引用。在书中讨论的电话理论已发展为电声学。（2） 身理声学和心理声学 在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，这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；以后随着频率研究范围的扩展又发展了超声学和次声学；由于研究手段的改善进而能进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学。1音乐对生理的辅助治疗 音乐为什么

23、能影响人的情绪呢？自古以来音乐就具有辅助治疗疾病的功用，人们相信一些音乐旋律可以传送到人体的各种器官，古代音律五音宫、商、角、徵、羽就分别对应了人体不同的脏腑和经络，起到调整对应的脏腑和经络的作用，以达到陶冶性情、安抚烦躁不安的情绪的目的，也可以起到缓解现代人严重的压力的作用。音乐根据其振幅和频率的不同，可以分为外脑部的共鸣、喉部的共鸣以及腹腔共鸣三种。脑部共鸣的音乐具有兴奋神经细胞活动的功能，喉部共鸣的音乐让人禁不住想跟着唱和，而腹腔共鸣的音乐则沉氨安稳能安抚器官的活动，音乐按摩的目的在于舒缓被过度刺激的神经系统和长期处于紧绷状态的肌肉上。所以只有腹腔共鸣的音乐才能达到这个效果。音乐的作用并

24、不仅限于此。意大利的一位外科医生扎帕洛通过研究做出结论：巴赫的音乐能减轻消化不良，莫扎特的能减少风湿关节疼痛，舒伯特的能帮助失眠者入睡，亨德尔的则能解除失恋以及其它感情上的痛苦。2音乐对心理的好处 除了音乐的速度和节拍等因素外，演奏音乐的乐器音色、乐队的和声（共振）等因素，对人的心理影响的差异也是非常明显的。 举个例子，小提琴比大提琴的音色就要明亮开阔，大提琴就要比小提琴的音色显得低沉深邃，所以圣桑创作的天鹅之死的音乐选择了用大提琴的音色来演奏决不是偶然的。同样描写天鹅的舞曲四小天鹅，由于要表现的是小天鹅天真、活泼、顽皮性格特点，所以乐队演奏该乐曲的时候是以管乐器为主，因为管乐相对弦乐而言，在

25、弹性和力度上的表现力更有明显的优势。另外从和声（共振）的因素来看，协和的和声（共振）肯定要比不协和的和声（共振）显得明亮，而同样是描写月光，贝多芬和德彪西两个人的月光在和声上的差异就形成了非常不同的情绪基调，前者听去显得明朗，开阔，让人充满了无限的遐想，但后者就听上去朦胧奇幻，让人觉得捉摸不定。除了这些音乐元素，另外还有诸多的因素，例如音高、调式调性、配器、节奏、音量大小等等等等，如果是歌曲的话还包括歌词的内容。这些音乐的不同因素对人情绪心理的影响，对音乐治疗师的治疗将起着至关重要的作用。因此音乐声学在现代声学应用方面有着十分重要的作用。五、近代声学发展及前景（一）近代声学发展概况科学发展有他

26、自己的规律，但也与社会有密切联系，现在声学在21世纪的长足发展，作为物理学的一个分支，声学大致可分为以下14个更细的分支：物理声学；水声学、声海洋学；超声学、量子声学和声的物理效应；机械振动和冲击；噪声及其影响和控制；建筑声学；声信号处理、声全息技术；生理声学；心里声学；语言通信；音乐和乐器；生物声学；声学测量和仪器；换能器、声音的产生和复制设备。 在第二次世界大战中由于战争的需要，开始把超声广泛地用到水下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事业的巨大发展出现了噪声、环境污染等问题而促进了噪声、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

27、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。这样逐渐形成了完整的现代声学体系。在以上 14 个亚分支中 ,只有水声学原来主要是为战争服务的(声呐和有关理论、技术) ,其他都是为和平服务的. 就是水声学 ,现在也已经以相当大的力量在进行声海洋学或海洋声学的研究工作了. 声海洋学可能将成为水声学的主要发展方向 ,这是形势改变的结果. 海洋资源可能比陆地上的资源丰富很多 ,但开发得非常不够. 而声波是海洋中唯一可以远距离传播的信号 ,用声波和声学方法研究海洋具有大的潜力 ,是任何其他方法不可比拟的. 现在已开展的工作有:做大范围内的三维声速分布图(层析图) 、深海水温测量、洋流、内

28、波研究、海底地质调查等等. 深海水温测量很值得注意 , 我国也已开展. 在赫德岛实验中 , 从南印度洋发射57 Hz 声波 , 在深水声道中传播 18000km 后在北极圈接收 ,可准确地算出深水声道中的平均声速. 深水声道内的温度变化很缓慢 ,在传播所需的 3 个多小时内基本没有变化 ,但用这个系 统可以测得每年的水温变化 , 准确到 0101 ,这个方法正推广到其他范围. 水温变化的监测非常重要 ,因为深海水温变化不但影响海洋中浮游生物的密度 ,从而影响海洋中的生物链和渔业 ,还要影响气候 ,影响远离海洋的人. 用声学方法可以大大推动海洋研究. 声海洋学导致 反演法的重要发展 ,因此声海洋

29、学的研究方法 可推广到其他不易直接测量的情况 ,如用声波对电离层的研究已取得重要结果. 反演法是超声检测的基础. 超声探伤已普遍应用 ,是机械工业的质量检查利器. 用到人体检查 ,B 超已有重大发展 ,在医疗保健中起极大作用. 这些和雷达、声呐一样 ,所用方法基本也是反演法(虽然是最简单的反演法) . 超声检测的发展正方兴未艾 , 扫描方式不限于 B 超 , 三维显示也颇有进展. 和 X 射线或核磁共振相似 ,用超声换能器阵在一个面上扫描 ,可以建立二维图像 ,并据此用计算机建立三维图像. 这需要一组距离已知的截面图和不同组织可以区别的特征. 但软组织不易用超声区别 ,所以直接利用CT 和 M

30、RI 的现有技术是不行的. 但是软组织的界面波还是明显的 ,以此为基础建立三维 图像是可能的. 此外 ,任何部分微动 ,将产生多普勒效应 ,在频谱上出现次瓣 ,这也可作辅助手段. 所以这方面只是进一步开发的问题. 对 X射线 CT ,一般医生主张没有绝对必要时不做 ,因为特强的 X 射线有引致放射病的危险 ,超声显示还没有报道过对人有伤害 ,而且设备简单 ,易于普及 ,优点很多. 超声检测在医疗诊断和保健工作中将越来越重要 ,会有极大发展. （二）噪声1噪声的烦扰噪声是环境污染源之一 ,所以噪声控制是保护人们的生活条件和工作条件的重要工作.但噪声污染与空气污染、水污染不同 ,它造成的烦恼不安只

31、是当时的事 , 噪声停止 , 事过境迁 ,就恢复了. 就是特强( 90dB 以上) 的噪声也是长期连续暴露才使听力受损 ,因此常常不被重视. 噪声控制在技术上是没有困难的. 在我国 ,控制噪声的法律、规定也是齐全的. 问题是在贯彻实施时 ,需要环保部门和司法部门严格贯彻环境保护法有关规定. 控制噪声可直接提高人们的生活质量 ,也促进工业发展 ,甚至改变工业发展方向 ,在更广的范围内增加人们生活和工作的便利. 以铁路运输为例 ,现在我国铁路行车速度一般可能只有 50km/ h 左右 ,太快就有危险，车辆将激烈晃动，车内噪声让人难以忍受。 德国开始第一条汉堡 柏林磁浮列车线的修建是在2005年完成

32、 ,主要由政府投资 ,私营企业 (汉莎) 参加 ,投资共 100 亿德国马克 ,计划 285km 、行车时间 53 分. 振动和噪声控制工作在高速列车的发展和前途上起了决定性作用. 对于汽车的发展和飞机的发展更是如此. 20 世纪初 ,汽车刚上市时 ,只能作有钱人的玩物 ,喜其新奇 ,坐上去不但不舒服 ,其行驶时的振动和噪声比现在的拖拉机要强烈得多 ,几分钟人就忍受不了 , 对环境是强烈的公害. 所以那时候有的城市就规定 ,要开汽车 ,应在一个星期前正式宣布 ,以免惊扰居民. 现在 ,汽车在正常行驶时在安全、舒适的要求上已做了很大的提高 ,噪声和振动控制的成效很可观 ,在国外有些高速公路上 ,

33、每小时 180km 的速度已是常事. 现在汽车噪声控制的研究正方兴未艾 ,几个重要的汽车制造厂都和不止一个声学研究室订立合同 ,研制低噪声发动机和降低舱内噪声 ,并且以此互相竞争. 飞机噪声控制的发展更快. 20 世纪40 年代末期 ,开始航行喷气客机时 ,飞机很小 ,不但舱内噪声令人难忍 ,对航线下也是严重干扰. 以后发展了涡轮喷气、涡轮风扇、高涵道比、宽体飞机等 ,致每 10 年噪声降低 10dB (声强降低到原来的十分之一) ,因而机体也可增大.到现在人们已谈到载客量为 500 的飞机 ,以近声速飞行 ,机舱内外的噪声都符合标准. 现在机舱内噪声约为 86dB ,一般仍嫌过高 ,许多重要

34、声学研究室正受委托以此为主加强研究工作超声速的问题暂时搁置了 , 英法合制的“协和号”仍在飞行 ,其问题在冲击波 ,航线下的建筑物都会被冲击波破坏 ,所以只能在大洋上飞行 ,不能充分发挥作用. 但是到远地办事 ,当天可以来回 ,这是非常吸引人的 ,对政治活动和商业往来尤其如此. 所以超声速飞机的开发并未放弃 ,产生冲击波的问题仍受到注意 ,也有些发展 ,很有希望. 现代交通工具的进步及其进一步的发展 ,一个关键性技术问题就是噪声和振动 ,事实上大型机械也是如此. 科学技术是第一生产力 ,这就是一个例证. 会议室、医院病房、宾馆客房等 ,基本问题是安静 ,防止外面噪声传入. 隔声措施基本已是成熟

35、的技术. 学校教室和会议室还要考虑把有益声音投向听众和避免过长的混响时间使声音模糊. 一般歌舞厅使用电声系统放大 ,几乎不怕外来干扰. 对音质要求最高的是音乐厅和歌剧院. 音乐的音域宽 ,动态范围大 ,要求烘托、辅助音乐 ,更增加其欣赏价值. 我国的各剧种(如京剧) 和器乐 ,西方的歌剧、交响乐都要求自然音.对自然音(不加电声放大) 烘托、辅助的音乐厅和歌剧院要解决以下几个问题: (1) 体积大小合适 ,使声音有足够响度并且室内响度均匀; ( 2)适当混响. 没有混响的空间里 ,声音显得干 ,混响时间太长 ,声音就不清晰 ,不亲切. 特别是要有适当低频率混响 ,使声音听起来感觉温暖、热 烈;

36、(3) 体形. 音乐厅的形状、表面处理要求使声音在全场平均分布 ,不但响度要均匀 ,声音到达、每一听者在方向上也要均匀(扩散) ,声音从左右反射来的很重要 ,这可增加声音的空间感(不是像在一个小窗口外听室内的声音) , 从声源 (演员或乐器) 发出的声音直接到或第一、二次反射到达听者也增加空间感; ( 4) 平衡、融合各种乐器和歌声同时发声的感觉.(5) 没有回声、噪声、失真等现象. 2控躁措施噪声控制的工程技术已基本成熟 ,几乎任何噪声问题都可以解决 ,只是遇到特殊问题时尚待研究，根本地解决噪声和振动问题则在于声源的研究. 机器运转时根本不发声或发声低 ,噪声自然就降低了 ,飞机噪声的发展就

37、是一个例子 ,所以根本问题是机器运转时的发声机理 ,振动力、固体部分的振动、振动力的来源与共振的关系、固体间的摩擦、碰撞、气流中的湍流、气流与固体间的相互作用、液体流动等等 ,都是产生振动和噪声的根源. 在声源问题上 ,每类设备 ,甚至每件设备都有其特殊情况 ,要求具体研究其机理. 所以 ,从声源控制噪声就需要具有有关专业的知识 ,涉及机器设计和操作方法 ,实际是不同专业的结合. 声学与不同制造专业的结合将在噪声控制上取得重大发展 ,这是今后发展方向. 在另一方面 ,噪声控制不等于噪声降低. 噪声降低 ,同时要考虑声音质量问题. 敲打的声音、刮铁板的声音和空调机的声音 ,听起来就是感觉不同.

38、所以声音的质量固然与声音的强弱有关 ,它的性质也很重要. 近年已有一些讨论 ,但声音的质量顺耳与否 ,与心理声学有关 ,进展还不大 ,然而这问题很重要 ,今后将有重大发展. 在声源控制方面一个补充措施是有源噪声控制 ,这就是用一个次级声源在声场中产生相位相反的声音以抵消噪声的办法. 有源噪声控制在管道中(如通风管道) 和户外已证明有效 ,在室内对低频率噪声也颇有效果. 在机器上直接装设有源噪声控制系统似乎很有前途 ,特别是在电动机、发电机、变压器等设备上. 有源振动控制与室内有源噪声控制的问题很相似 ,因为二者都是多共振系统 ,理论和技术上都有相似点. 对于室内噪声 ,有人设想开发一种薄片换能

39、器贴在墙上 ,使它在收到噪声时 ,自动发出反相的声音将其抵消 ,这种自动有源噪声控制会更加实用. 这种想法一直受到注意. 也有人提出过“聪明的泡沫”(使泡沫塑料发生反相振动) 、“智能扬声器”等设想 ,并进行了理论分析和实验室研究 ,尚待进一步发展 ,但是用传声器 - 扬声器系统来达到这个目的已获得初步成功. 自动有源控制系统将在下一世纪发挥作用.(三）建筑声学建筑声学在另一方面则是使声音更清楚、更美妙. 语言要听得懂 ,音乐要保持其优美. 这里有不少是音乐家的术语. 音乐厅是艺术欣赏的场所 ,达到以上要求需要建筑师与声学家的密切合作 ,创造性地发挥最高水平. 建筑师要懂一些声学并尊重声学家

40、,声学家要懂一些建筑并且尊重建筑师. 音乐厅在国际上都被认为是最高的欣赏音乐的场所 ,反映一个国家、一个城市的文化水平 ,只有这样的密切合作 ,发挥最高水平 ,才可能在建筑艺术上和音质设计上达到最高标准 ,完成当代对音乐厅设计的音质、舒适、首创性的高要求. 我国过去缺乏这种合作 ,已建了不少厅堂 ,但有的根本不能用 ,能用的在国际上也没有地位. 白瑞奈克教授曾深入调查了22 个国家受欢迎的 66 座音乐厅和 10 座歌剧院(其中没有一座是我国的 ,76 座大厅中只有阿姆斯特丹、波士顿和维也纳的 3 座被音乐家评为最佳 , 有 4 座只是“通过”.)我国建筑设计是很有水平的 ,只是过去把音质设计

41、看得太容易了 ,不需要或不欢迎高水平的声学家参与. 这种情况在西方也有 ,并造成了不少损失 ,只是在我国更突出罢了. 白瑞奈克的结论提供了良好音质的完整理论 ,为提高音乐厅和歌剧院设计水平提供基础 ,音质问题将有更大发展.曾经兴建的北京人民大会堂 ,虽然不是专门为音乐设计的会堂 ,但是一万人开会的会堂也是没有过的 , 当时建筑设计施工、建筑声学、电声学分别负责 ,通力合作 ,结果不但开会响时间太长 ,声音就不清晰 ,不亲切. 特别是要人人满意 ,大型歌舞演出也很成功. 周恩来同志领导这项工作 ,他不但严格要求 ,充分发挥各方面的力量 ,并且对整体提出设计思想. 会堂内部水天一色 ,参加会议的人

42、在会堂内都感觉亲切、温暖 ,至今 ,人民大会堂仍保持其特色. 这是一个生动的例子 ,指出音质设计的发展方向. 德国新建的议会大厅 ,建筑艺术极高 ,但只是经声学家给以声学处理后 ,才能真正开会.（四）语言声学 由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学，语言自动识别是人们多年的理想.“芝麻开门”的故事表达了人们的企盼. 自从电话开始发展以来 ,科学家就注意语言中包含的信息到底是多少. 从文字(书面语言) 来看 ,各种语种常用的辞汇不过三五万 ,用二进位的信息量来表示 ,也就是十五六位. 口语发声是靠声道的变化 ,其中包括声带松紧、舌的高低、唇的张合、齿的松紧和鼻腔的开关等 , 每种都是很慢 ,

43、 每秒不上10 次 ,一共也不到 100 Hz. 可是传送一个电话 ,只达到可懂的程度就需要频带 3000 Hz 或4000 Hz ,大大超过信息量的要求. 从 20 世纪 20年代 ,科学家就开展了语声的频谱分析 ,以求出其中的关键特性 , 降低所需频带. 大量实验证明 ,语声的不同主要在其基频(在有调语言如汉语中 ,基频的变化也是重要因素) 和第一、第二共振峰(频谱中能量集中的区域) . 实际语言中还有第三、第四共振峰(在更高频率) ,主要反映发音者的特性. 语声的识别就在于基频和共振峰. 这些年来 , 发展了大量语言波形的分析方法 ,现在所有信号处理方法基本都是从语言信号的处理得来的.南

44、腔北调 ,人们都能辨别 ,但即使正规发音 ,机器识别也有困难. 50 年代有一次突破 ,频谱分析后用电阻网络识别 ,可正确识别 10 个音(10 个数字或 10 个元音) ,很成功 ,一时对语言识别的信心大增 ,甚至有的国家计划在 60 年代做出实用系统 ,但一直进展不大. 语言识别虽有困难 ,语言合成却一直顺利. 20 年代完成大量频谱分析后 ,30 年代就制成了语言合成器(用频谱知识)和声码器(语言分析合成器) ,后者逐渐用于保密通信 ,以其分析部分作为编码器 ,接收后以合成部分还原为口语.到70年代，计算机技术有了进步，合成语言的质量进一步改善，语言识别又做了一次大规模的努力. 美国国防

45、部高级研究任务局 ARPA 以数百万美元资助四个重要单位。四个单位中三个都失败了，只有一个成功 ,建成了 Harpy 系统. 到 80 年代末又有一次突破。美国卡内基梅伦大学的华裔科学家李凯夫用隐藏马尔柯夫模型 HMM 认别成功.不认人，认词1000（三个词一批识别），考虑到上下文，正确率达到94%，于是国外陆续出现了不少语音识别系统商品 ,大致都是按照美国约翰霍普金斯大学教授J elinek 提出的结构 ,包括一个信号处理器、一个声模型、一个语言模型和一个所谓的“假设搜索”共四个单元。信号处理器把每10ms的语言信号进行频谱分析和矢量量化，成为几个参数，输入声模型与已知音素的频谱相比较，找到

46、最可能的字母，并用 HMM 方法找出最可能语词，然后输入语言模型，进一步根据语词的用法和句的用法和句的构造确定语句.最后用“假设搜索”的办法定出相应于语言信号的词句.这种语言系统在90年代初已经逐渐普遍被接受，但速度很低，还有认人的问题，要求使用者发音平稳并且说一个词后停一下。一般人对此不耐烦，但在医药界和司法界用于听写很受欢迎.90年代中期 ,计算机处理速度和内存都已大大提高，使连续语言的处理成为可能.这样，使用者可按正常交谈情况发言 ,实时连续语音识别系统就可作出识别 , 美国商业机器公司 IBM 和Dragon 系统随即生产了商品 ,词汇 70000 .在1997年末，宣告语言理解系统（

47、viavoice) 成功 ,并制成商品 ,推向市场 ,这是20世纪的一件大事.在现今21世纪，语言理解系统已经大大发展 ,在此基础上人们一直幻想的语言打字机、口语翻译机、文字翻译机、读书机、输入乐谱的音乐演奏机等等，人们的政治生活、社会生活和文化生活将完全改观。（五）热声学 声波是绝热过程 ,声压为1Pa（声压级94dB，接近防止车间噪声）时，温度大的地方，热量不能传出因而温度要升高，但在一般情况下，这种温升是微不足道的，但是温升大致与声压成正比 , 声压是 1000 Pa(174dB) 时 ,则是 75 ,这当然还不是很大. 如果使声波通过相距比热传导附面层厚度大一些的时候，温升可以放大几倍或几十倍(和热量损失有关) ,就不小了. 利用这个现象可以制冷或发热(当然没有人用这个方法去发热）.用其逆现象也可以給一温差而产生声音，这种系统是1982年惠特利（J.C.Wheatley)等人制成的,他们在驻波管一端得到这温差 ,并进行了大量研究工作.热声现象涉及热学、传热学、材料学、声学等学科，引起很多注意，特别是在声学中遇到的几乎全是新问题. 过去对驻波研究，特别是高强度驻波的研究是非常不够的，对高强度驻波的性质不充分了解 ,在热声管中声波的作用就难确切认识. 以热发声能达到什么程度也是注意的问题. 热学方面的兴趣