声学的发展史

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唯一一个历史最悠久且仍处于前沿的分支。从古代直到19世纪,声音被理解为可听声音的同义词。中国在先秦时期就说过:“情出于声,声写为声”,“声和为成”。声、音、乐是不同的,但都是指可闻的现象。同时也叫“异响”。声音引起的感觉(音感)是声音,但也叫声音,和现代对声音的定义一样。西方也是如此。声学的词源是希腊语akoustikos,意思是“听觉”。世界上最早的声学研究工作是在音乐方面。

据《吕氏春秋》记载,黄帝命凌伦以竹为法,长短增减成十二法;傅弹琴,三分得失成十三音。三分得失法就是把管子(笛子和笛子)拉长三分之一或者缩短三分之一,听起来很和谐。这是最早的声学定律。传说毕达哥拉斯在希腊时代提出了类似的自然法则(但以弦为基础)。中国1957,河南信阳,出土了“伊诺”编钟,这是为了纪念公元前525年晋国和楚国的战斗而铸造的。它的音阶完全符合自然规律,音色纯正,可以用来演奏现代音乐,证明了中国在古代声学上的成就。在接下来的2000年里,音乐规律的研究有了很大的进展。

明代朱载堉在1584年提出的平均律,与当代西方乐器制造所用的平均律一模一样,但比西方早提出300年。在古代,除了声音传播的方式不同,对声音本质的理解和今天完全一样。在东方和西方,人们认为声音是由物体的运动产生的,它在空气中以某种方式到达人的耳朵,引起人的听觉。这种认识在现在看来很简单,但从古代人的知识水平来看,是可圈可点的。比如很长一段时间,古代的人对每天遇到的光和热没有正确的认识。直到牛顿时代,光与粒子理论和波动理论之间还有争论,粒子理论取得了优势。至于热,“热质”理论的影响更长,直到19世纪后期,f .恩格斯才对此进行了批判。

声学的系统研究始于17世纪初伽利略对单摆周期和物体振动的研究。从那时起一直到19世纪,几乎所有杰出的物理学家和数学家都对物体的振动与和谐原理的研究做出了贡献。声音传播的问题早就注意到了。大约2000年前,中国人和西方人把声音比作水波纹。1635有人用远处的枪声测了音速,假设闪光不需要时间传播。此后,该方法不断得到改进。到了1738,测得的结果换算成0℃,声速为332m/s,与最精确值331.45m/s只差1.5‰,这在“声学仪器”只停表而大行其道的情况下,确实是了不起的成就。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中,根据推理:一个振动的物体要推动其相邻的介质,而相邻的介质又要推动其相邻的介质,以此类推,通过复杂而难以理解的推导,得出声速应该等于大气压与密度之比的平方根。1759年,L. Euler基于这一概念提出了更清晰的分析方法,得到了牛顿的结果。但计算的声速只有288m/s,与实验值相差很大。达朗贝尔在1747年首先推导出弦的波动方程,并预言它可用于声波。直到1816,P.S.M .拉普拉斯指出,只有在声波传播过程中空气温度不变的情况下,牛顿的推导才是正确的,但实际上声波传播过程中空气密度变化很快,不可能是等温过程,而是绝热过程。所以声速的平方应该是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容之比)γ与密度之比。基于此,声速的理论值与实验值完全一致。

直到19年底,只有人耳用来接收声波。人耳能听到的最低声强约为10-6W/m2(声压为20μPa)。在1000Hz时,空气粒子对应的振动位移约为10pm(10-11m),仅为空气分子直径的十分之一。在19世纪,已经有了大量的人耳解剖工作和人耳功能的讨论,但是到目前为止,还没有形成完整的听觉理论。我们对声音刺激通过听觉器官和神经系统到达大脑皮层的过程有所了解,但这个过程之后大脑皮层如何分析、处理和判断,还需要进一步研究。在音调和频率的关系明确之后,已经有了很多关于人耳听觉的频率范围和灵敏度的研究。发现了著名的电路定律的G.S .欧姆提出了人耳可以将复杂的声音分解成谐波成分,根据偏音来判断音质的理论。受欧姆声学理论的启发,开展了听觉的声学研究(以下简称生理声学和心理声学),并取得了重要成果,其中最著名的是h .冯·亥姆霍兹对声音的感知。在封闭空间(如房间、教室、礼堂、剧院等)听语言和音乐。)有一些效果很好,也有一些效果很差,导致了今天所谓建筑声学或者室内音质的研究。但直到1900年W.C .萨宾得到了他的混响公式,建筑声学才成为真正的科学。

瑞利是19世纪及之前200-300年大量声学研究成果的最后一个召唤师。他在1877出版的两卷本《声学原理》开创了现代声学的先河。到目前为止,尤其是在理论分析中,这两卷经常被引用。他开始讨论的电话理论已经发展成为电声学。在20世纪,由于电子学的发展,电声换能器和电子仪器设备的使用,可以产生、接收和利用任何频率、任何波形和几乎任何强度的声波,这已经使声学研究的范围远远不可比拟。现代声学的第一个分支是建筑声学、电声学和相应的电声测量。后来随着频率范围的扩大,发展了超声波和次声学;由于手段的改进,听觉得到进一步研究,发展了生理声学和心理声学;由于对语言和传播的研究,语言声学得到了发展。第二次世界大战中,超声波在水下的广泛应用,使得水声学有了很大的发展。进入20世纪以来,特别是20世纪50年代以来,由于工业交通的大发展,噪声环境污染问题在世界范围内出现,推动了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展,高速大功率机械的应用日益广泛。非线性声学引起了广泛的关注。此外,还有音乐声学和生物声学。这样,一个完整的现代声学体系就逐渐形成了。