声学发展简史

声学发展简史

ABRIEFHISTORYOFACOUSTICS

主讲

刘世清

Keynotespeaker

Dr.

ShiqingLiu

数理与信息工程学院CollegeofMaths&PhysicsofZhejiangNormalUniversity教学内容概述声学发展简史现代声学简介声学仪器声学研究范围1概述

声学既是一门经典学科，又是一门“常为新”的学科。从经典声学到现代声学，声学始终是最具生命力的学科之一，表现为其内涵不断深化、外延不断扩大。现代声学是一门跨层次的基础性学科，研究从微观到宏观、从次声（长波）到特超声（短波）的一切形式的线性与非线性声（机械）波现象。同时，现代声学具有极强的交叉性与延伸性，它与现代科学技术的大部分学科发生了交叉，形成了一系列诸如医学超声学、生物声学、海洋声学、环境声学等新型独特的交叉学科方向，在现代科学技术中起着举足轻重的作

用。现代声学更是一门具有广泛应用性的学科，对当代科学技术的发展、社会经济的进步和我国防事业的现代化、以及人民物质与精神生活的改善与提高中发挥着极其重要、甚至不可替代的作用。因此，声学学科已经大大超越了物理学的经典范畴，而成为包括信息、电子、机械、海洋、生命、能源等学科在内的充满活力的多学科交叉学科。随着与当代电子与信息科学技术的不断融合，以及声学研究手段的不断进步，声学无疑是廿一世纪最具发展潜力的学科之一，并将迎来其更辉煌的篇章。

2声学发展简史

声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中历史最悠久，并且当前仍处在前沿地位的物理学分支学科。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。据史料记载，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。声的传播问题则更早就受到了注意，几乎在2000多年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面的波纹相类比。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了测量，将测得结果进行折合,得到0℃的空气声速为332m/s,与目前最准确的数值331.45m/s只差0.15%。1827年瑞士物理学家乐克拉顿和法国数学家斯特姆相约到日内瓦湖进行实验，得到声在水中的传播速度是1435m/s,这是人类历史上第一次水中声速的测量获得成功。这在当时“声学仪器”只有停表和人耳的情况下，的确是了不起的成绩。直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳，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，只有一般气体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。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（PaulLangevin）。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。3

现代声学的内容

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之间的特性。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），有时还有纵横波等。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17mm到17m，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。4声学仪器

20世纪以前，声源仅限于人声、乐器、音义和哨子。频率限于可听声范围内，可控制的声强范围也有限。接收仪器主要是人耳，有时用歌弧、歌焰作定性比较，电话上的接收器和传声器还很简陋，难于用作测试仪器。

20世纪以后，人们把电路理论应用于声学换能器的设计，把晶体的压电性用于声信号和电信号之间的转换，以后又发展了压电陶瓷[Pb(Zr,Ti)O3]、驻极体等，并用电子线路放大和控制电信号，使声的产生和接收几乎不受频率和强度的限制

近年用半导体薄膜产生超声，用激光轰击金属激发声波等，使声频超过了可听声高限的几亿倍。次声频率可达每小时一周以下，声强可超过人耳所能接收高强声音的几千万倍。声功率也可超过人发声的一千亿倍。声学测量分析仪器也达到了高度准确的程度，以计算机为中心的测试设备可完成多种测试要求，60年代需要几天才能完成的测试分析工作，用现代设备可能只要几秒钟就可以完成。利用对声速和声衰减的测量研究物质特性已应用于很广的范围。目前测出在空气中，实际的吸收系数比19世纪斯托克斯和基尔霍夫根据粘性和热传导推出的经典理论值大得多，在液体中甚至大几千倍、几万倍。这个事实导致了人们对弛豫过程的研究，这在对液体以及它们结构的研究中起了很大作用。对于固体同样工作已形成从低频到起声频固体内耗的研究，并对诸如固体结构和晶体缺陷等方面的研究都有很大贡献。声表面波、声全息、声成像、非线性声学、热声脉冲、声发射、超声显微镜、次声等以物质特性研究为基础的研究领域都有很大发展。声全息和声成像是无损检测方法的重要发展。将声信号变成电信号，而电信号可经过电子计算机的存储和处理，用声全息或声成像给出的较多的信息充分反应枝检对象的情况，这就大大优于一般的超声检测方法。用热脉冲产生的超声频率可达到1012Hz以上，为凝聚态物理开辟了新的研究领域。

声波在固体和液体中的非线性特性可通过媒质中声速的微小变化来研究，应用声波的非线性特性可以实现和研究声与声的相互作用，它还用于高分辨率的参量声呐中。声波可以透过所有物体：不论透明或不透明的，导电或非导电的。因此，从大气、地球内部、海洋等宏大物体直到人体组织、晶体点阵等微小部分都是声学的实验室。近年来在地震观测中，测定了固体地球的简正振动，找出了地球内部运动的准确模型，月球上放置的地声接收器对月球内部监测的结果，也同样令人满意。进一步监测地球内部的运动，最终必将实现对地震的准确预报从而避免大量伤亡和经济损失。

5声学研究内容及分支声波的产生声波的传播声波的接收研究内容声学分支

次声学、超声学、电声学、大气声学、音乐声学、语言声学、建筑声学、生理声学、心理声学、生物声学、水声学等。

声学范围

下图是美国著名声学家林赛（R.BruceLindsay）1964年提出的声学范围图，基本是20世纪上半叶的声学总结，现代声学是科学、技术、也是艺术的基础。中心圆内是声学的基础部分，物理声学在瑞利时代已发展到较高的水平；中间一环是声学与各应用科学形成的边缘科学；最外层是工程技术、文化艺术、生命科学和地球科学中有关的各种学科和技术。6声波的效应及应用医疗B超机

(medicaltreatmentofB-typeultrasound)超声探伤，超声检测，超声测厚，超声测硬度，地质勘探

超声C扫描探伤系统超声清洗，超声焊接，超声加工超声显微镜

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