瑞利勋爵对现代声学基础理论的开创性贡献

PAGE2PAGE5瑞利勋爵对现代声学基础理论的开创性贡献摘要：英国物理学家瑞利以严谨、广博和精深著称于世，他在光学、声学、黑体辐射问题和氩的发现方面都留下了个人的印记．本文通过阐述瑞利在声学领域的杰出贡献，充分展示了瑞利个性鲜明的科研风格和对周围事物沉于理性思考的特征．关键词：声学瑞利盘瑞利波声表面波器件ThecreativecontributionofRayleigh'sinbasictheoryofmodernacousticsAbstract：ThispaperdescribetheRnyleigh'soutstandingcontributioninAcoustic．Andshowshispersonalityscientificresearchstyle．Itgivesusedification．KeyWords：AcousticsRayleighdiskRayleighwaveSurfaceacousticwavedevice瑞利勋爵，原名是J．W．斯特拉斯（JohnWilliamStrutt1842－1919）,英国著名物理学家，1904年度诺贝尔物理学奖获得者。他以严谨、广博、精深著称于世，他是19世纪末叶达到经典物理学顶峰的少数学者之一，他的研究工作几乎遍及了当时物理学的各个领域，并留下了个人深刻的印记。1877年，他出版了两卷本《声学原理》的经典著作，对19世纪以前两三百年的大量声学研究成果作最后的总结，特别是在声学方面的理论分析工作，至今仍被奉为声学基础研究的经典。他创立的电话理论，目前已发展为一门新兴的学科——电声学；随后，他从理论上指出声波在弹性固体中传播时可以有一种能量集中于表面附近的弹性波，被称为声表面波（或瑞利波）；现利用他的理论所研制的微形声表面波器件，为现代声电子学领域开拓了广阔的应用前景。1声学研究的历史背景声音是人类最早研究的物理现象之一，是经典物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的唯一分支学科。中国从上古起直到19世纪，都是把声音理解为可听声的同义语。先秦时就说：“情发于声，声成文谓之音”［1］，“音和乃成乐”［1］，即指出了声、音、乐三者的不同。世界上最早的声学研究工作是在音乐方面。《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，听起来都很和谐，这是最早的声学定律。希腊时代的毕达哥拉斯也提出了相似的自然律。对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单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振动和声的产生原理作出过贡献。1635年就有人用远地枪声测声速，以后方法不断改进，到1738年巴黎科学院用炮声测量声速，测得的结果折合到0℃时，声速为332m／ｓ，与目前最准确的数值331.45m／s只差1.5‰。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。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，与实验值相差很大。达朗伯尔于1747年首次导出弦的波动方程：［2］（1）其中为常数，与弦的密度和张力有关，1763年，达朗贝尔进一步讨论了不均匀弦的振动，得到了广义的波动方程：［2］（2）在用分离变量求解方程中，出现了常微分方程的边值和特征值问题，并预言此方程可用于声波。1816年，拉普拉斯指出只有在声波传播中空气温度不变时牛顿的推导才正确，而实际上在声波传播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。从而得到了声速的理论值与实验值完全一致的结果。2瑞利对现代声学的贡献瑞利早期研究的领域是电学，19世纪80年代以后，他扩展研究范围，开始涉猎声学领域。他在声学领域的第一个成就就是他于1882年亲自设计的测量质点速度的仪器——瑞利盘。瑞利盘是一个用细丝悬挂的刚性薄圆盘，此圆盘的半径r甚小于声波的波长，当将它置于自由平面波声场中且与波入射方向成α角时，受到一个由下式表示的力矩M的作用：［3］（3）式中为介质的密度，为质点速度，为圆盘的质量，为圆盘的流体动质量，等于；此公式只适用于介质为气体的情况。当介质为液体时，由于液体的密度较大，可与圆盘的密度相比较，故圆盘在声场中，在某种程度上将随着液体质点运动，此时圆盘所受的力矩M为：［3］（4）式中为液体的密度，为被圆盘取代的液体的质量，。在自由平面波声场中，声压与质点速度间的关系为：，式中为介质的特性声阻抗。这样，就能利用瑞利盘来校准标准传声器和标准水听器的自由场灵敏度以建立声压基准。用瑞利盘也可测量驻波中的质点速度，此时其测量公式为：［3］（5）式中为圆波数，为圆盘反射平面的距离。在速度波腹处，有则式（5）变成式（3），但在驻波管中用瑞利盘来校准标准传声器和水听器时，所求得的是声压灵敏度。随后，瑞利开始研究沿均匀各向同性弹性固体半空间与空气或真空接触表面传播，张量集中在表面附近的弹性波问题，并于1885年给出了理论说明，通常人们把这种弹性波称为声表面波（或瑞利波）。他经过精心的设计，建立模型，并把数学方法巧妙地用于均匀且各向同性的弹性固体，得到了声表面波传播满足的瑞利方程，即：［4］（6）家斯托克斯（Stakes）讲座的激励和数学教授L．西亚姆（Siam）的帮助．1865年在剑桥大学取得学士学位，1871年成为剑桥大学三一学院的研究员．1870年后期起，瑞利以他家庄园附近的私人实验室作为他的研究基地，他满怀信心地在那里进行科学研究；1879年，剑桥大学卡文迪什实验室最早的主持人J．C．麦克斯韦（Maxwall）教授去世，瑞利继任了该实验室的实验物理学教授，主持实验室工作一直到1884年．从1885年到1896年，他在伦敦皇家学会担任秘书长达11年之久．1887年，瑞利在大不列颠的皇家研究所继承了廷德尔（Tyndall）的自然哲学讲座教授，并担任伦敦戴维—法拉第（Davy－Faraday）研究实验室主任．1902年瑞利获得梅里特勋章；他接受了超过50个学术团体的奖励．1905—1908年瑞利被选为伦敦皇家学会会长，从1908年起到1919年逝世止，他荣任剑桥大学校长．瑞利是理论和实验全面的通才，他一生进行了大量的实验，并善于对实验结果给予理论说明，他在自己的家中专门建立实验室，同时他具有用简单的设备获得十分精确实验数据的才能。瑞利除在声学领域成就显赫外，在光学的散射现象、黑体辐射问题和氩的发现等众多方面都取得了重大成就。早在1871年，瑞利就对乳状液、悬浮液和胶体溶液等光的散射现象进行研究，并首先提出了分子散射理论．瑞利认为，由于分子质点的热运动，破坏了分子间固定的位置关系，使分子所发出的次波不再相干，因而产生了旁向散射光．同时瑞利应用光的弹性理论得出，入射光在线度小于其光的波长的微粒上散射时，散射光的波长与入射光的波长相同，散射光的强度与波长的四次方成反比，［6］即（10）这就是著名的瑞利散射定律，从而满意地解释天空呈蔚蓝色等现象．接着，瑞利对黑体辐射问题进行了很有成效的研究，他与金斯（Jeans）一起，用经典的电磁理论及能量按自由度均分定理去解决黑体辐射问题，并于1900年公开发表这一公式：［6］（11）这就是著名的瑞利—金斯定律．这个公式在波长很长的情况下与黑体辐射规律符合得很好；几个月后，普朗克（Planck）在他们工作的基础上提出了他那有名的“能量子”理论．瑞利最引人注目的、最著名的成就就是氩的发现了，可以说它是瑞利的逻辑推理和艰苦实验两者共同的硕果；瑞利花了将近20年的时间对气体密度进行严格的测量，他在测定氮气密度的实验过程中发现了一种奇怪的现象，即从氨中得到的氮与从空气中得到的氮，其密度是不一样的．前者为而后者却为可见前者比后者少约二百分之一．1895年，当瑞利阅读H．卡文迪什（Cavendish）发表的论文时，发现他在一个给定的空气容器中，用一种原始的静电起电机激发空气使氮氧化，结果不管激发的时间多长，总有一些气体残余存在而无法进一步氧化．可惜H．卡文迪什在这点上没有坚持研究．瑞利在氮密度的测量上知难而上，为了氮的氧化，瑞利使用一个感应线圈来提供电火花来积聚足够的新气体，经检验它的性质是一个缓慢的过程，瑞利耐心地进行实验，深入地探索，最后得出结论，即大气中还有另一种组成物——一种极不活泼的元素“氩”的存在．由于这个伟大的发现，他荣耀获得了1904年诺贝尔物理学奖．瑞利勋爵，一生选择以学术为业，他时刻都对周围的事物保持着理智的好奇心和了解真理的渴望，并以诚挚之努力去领悟自然界中显示出来的那些理性的部分，且完全沉醉于获得理性的欢乐，他全神贯注地献身于自己的事业，并给他的事业赋予尊严，这就是瑞利一生在众多领域取得重大成就的原因所在。若我们选择学术为业，应“以史为镜”。参考文献：刘树勇著．《中国古代物理学史》，北京：首都师范大学出版社1998．150，151．BoyerC．Thehistoryofcalculusanditsconceptionaldevelopment，NewYork，1949．698．3．伊文W．著，刘光鼎译：《层状介质中的弹性波》，北京：科学出版社，1966．224～230（EwingWM．ElasticWavesinLayeredMediaMcGraw-Hill,NewYork1957.）4．StephensRWB．andBateAE．Acousticsandvibrationalphysics,2nded.,Arnold,London,1966．137～1385．OlinerAA．AcousticSurfaceWaves,Spring-Verlag,Berlin,1978．114～119．6．LindsayRB．Strutt，WilliamJ．ThirdBaronRayleigh，Vol．13．NewYork，Scribner，1970—1976．101，107．ThecreativecontributionofRayleigh'sinbasictheoryofmodernacousticsAbstract：RayleihisanEnglandphysicist，Hewasfamousbecauseofhisrigorousattitudetoscienceandwiderangingknowledge．Hecontributedtomanyscienceareasincludingacousticsopticsblacdbobyrediati