声学的发展历史过程

声学的发展历史过程

　　声音是人类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。传说在古希腊时代，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，几乎同时代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。

　　声的传播问题很早就受到了注意，早在2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比。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测量，得到0℃时空气声速为332m/s。1827年瑞士物理学家丹尼尔和法国数学家斯特姆在日内瓦湖进行实验，得到声在水中的传播速度是1435m/s，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳的情况下，是非常了不起的成绩。

　　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，可见人耳对声的接收本领确实惊人。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。

　　1877年，瑞利出版了两卷《声学原理》，书中集19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果之大成，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。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。

　　【扩展】

　　声学又是当前物理学中最活跃的学科之一。声学日益密切地同声多种领域的现代科学技术紧密联系，形成众多的相对独立的分支学科，从最早形成的建筑声学、电声学直到目前仍在“定型”的“分子—量子声学”、“等离子体声学”和“地声学”等等，目前已超过20个，并且还有新的分支在不断产生。其中不仅涉及包括生命科学在内的几乎所有主要的基础自然科学，还在相当程度上涉及若干人文科学。这种广泛性在物理学的其它学科中，甚至在整个自然科学中也是不多见的。

　　在发展初期，声学原是为听觉服务的。理论上，声学研究声的产生、传播和接收；应用上，声学研究如何获得悦耳的音响效果，如何避免妨碍健康和影响工作的噪声，如何提高乐器和电声仪器的音质等等。随着科学技术的发展，人们发现声波的很多特性和作用，有的对听觉有影响，有的虽然对听觉并无影响，但对科学研究和生产技术却很重要，例如，利用声的传播特性来研究媒质的微观结构，利用声的作用来促进化学反应等等。因此，在近代声学中，一方面为听觉服务的研究和应用得到了进一步的发展，另一方面也开展了许多有关物理、化学、工程技术方面的研究和应用。声的概念不再局限在听觉范围以内，声振动和声波有更广泛的含义，几乎就是机械振动和机械波的同义词了。

　　自然界从宏观世界到微观世界，从简单的机械运动到复杂的生命运动，从工程技术到医学、生物学，从衣食住行到语言、音乐、艺术，都是现代声学研究和应用的领域。

　　声学的分支可以归纳为如下几个方面：

　　从频率上看，最早被人认识的自然是人耳能听到的“可听声”，即频率在20Hz～20000Hz的声波，它们涉及语言、音乐、房间音质、噪声等，分别对应于语言声学、音乐声学、房间声学以及噪声控制；另外还涉及人的听觉和生物发声，对应有生理声学、心理声学和生物声学；还有人耳听不到的声音，一是频率高于可听声上限的，即频率超过20000Hz的声音，有“超声学”，频率超过500MHz的超声称为“特超声”，其对应的波长约为10—8m量级，已可与分子大小相比拟，因而对应的“特超声学”也称为“微波声学”或“分子声学”。

　　超声的频率还可以高1014Hz。二是频率低于可听声下限的，即是频率低于20Hz的声音，对应有“次声学”，随着次声频率的继续下降，次声波将从一般声波变为“声重力波”，这时必须考虑重力场的作用；频率继续下降以至变为“内重力波”，这时的波将完全由重力支配。次声的频率还可以低至10—4Hz。需要说明的是，从声波的特性和作用来看，所谓20Hz和20000Hz并不是明确的分界线。例如频率较高的可听声波，已具有超声波的某些特性和作用，因此在超声技术的研究领域内，也常包括高频可听声波的特性和作用的研究。

　　从振幅上看，有振幅足够小的一般声学，也可称为“线性（化）声学”，有大振幅的“非线性声学”。

　　从传声的媒质上看，有以空气为媒质的“空气声学”；还有“大气声学”，它与空气声学不同的是，它主要研究大范围内开阔大气中的声现象；有以海水和地壳为媒质的“水声学”和“地声学”；在物质第四态的等离子体中，同样存在声现象，为此，一门尚未成型的新分支“等离子体声学”正应运而生。

　　从声与其它运动形式的关系来看，还有“电声学”等等。

　　声学的分支虽然很多，但它们都是研究声波的产生、传播、接收和效应的，这是它们的共性。只不过是与不同的领域相结合，研究不同的频率、不同的强度、不同的媒质，适用于不同的范围，这就是它们的特殊性。

　　补：音调的高低与频率有关 最主要的：发声的物体在振动

　　声音是由（振动）产生

　　声音具有能量。

　　超声波速度测定器就是根据多普勒效应原理制成的。

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