声学研究历程（讲义）

声学研究历程 从远古到现代，科技的发展影响着人们的生产和生活方式的变迁，反之，人们生产生活的需求也孕育着新的研究方向。声学作为一门交叉学科，从产生初期就渗透于人们生活的各个方面，与人们的生产生活息息相关。那么声学，这门古老的学科，在不同的发展时期中，基于怎样的实际需求，发展方向经历了怎样的变化，又对人们的生产生活产生了那些影响呢？今天就让我们从远古开始，沿着时代的轨迹一起来看看声学的发展。 一、劳动生活孕育音乐声学 声学最早的研究从音乐开始。音乐作为一种欢呼，庆祝和娱乐的方式，与人们的劳动生活相伴而生，并随着人们生活形态的变化得到不断的开拓和发展。 一开始，人们利用自己的声音的强弱和高低来表达情感，后逐渐利用石器，木器等形成律动，并制造各种各样的乐器，形成对乐理的研究。 在我国，早在西周时期就有了五音（宫、商、角、徵、羽），在战国时，《管子》中正式记载了”三分损益法”，即根据某一标准音的管长或弦长，依照一定的长度比例推算其余一系列音律的管长或弦长，并据此得到了十二律（把一个倍频程分为十二个半音）。 五音十二律作为我国古代时期的定音方法，是古代乐器制作以及音乐作品创作的基础。世界各国的定音方法不尽相同，在早期，印度用二十二律，阿拉伯用十七律，而希腊最早只有三音，后逐渐发展为七音。 二、基础研究揭示声的本质 很长一段时间内，对声学主要的研究都停留在音乐的部分，直到文艺复兴的浪潮使得西方各国开启了思想解放运动，为科学研究提供了肥沃的土壤，人们对于声学的研究也开始步入基于数学描述和精密测试的轨道，对声音的产生，传播和接收过程都进行了全面的探究，逐步揭示出声现象的本质。 17世纪初，伽利略在对单摆运动的研究中发现，给单摆施加周期性的同相位推动能够保持甚至逐渐增大单摆的振幅。这一现象使得伽利略意识到声学共振现象产生机制，并针对两根弦发生共振的现象解释道，这是由一根弦的振动通过空气传到第二根弦，从而激发起后者的较强振动的过程。此外，伽利略通过一系列实验，当时已经清楚的理解到弦振动频率依赖于弦的长度、紧绷度和密度，并证实了声音实际上是一种机械振动。而在理论方面，泰勒提出的无穷级数则为人们对于弦振动问题的研究提供了有利的数学工具。1747年，达朗贝尔首次推导出了弦的波动方程，并预言可应用于声波。 对于声音的传播，早在古希腊时期，亚里士多德就提出声音的传播过程实际是空气的运动，而对于声音的具体传播速度则经过一系列的实验测试才得到正确的结果。 1708年，英国学者德罕姆站在一座教堂的顶端，注视着19公里外正在发射的炮弹，通过计算炮弹发出闪光后与听见炮的轰隆声之间的时间，经过多次测量后取平均值，得到空气中的声速为343m/s。 1827年，瑞士物理学家科拉顿用相似的方法在日内瓦湖上测出了水下的声速为1435m/s。1687年牛顿在《自然哲学的数学原理》中推导出声速的定量计算公式，但由于牛顿将声波在空气中的传播考虑为等温过程而使得计算与测量结果不一致，后在1816年由拉普拉斯进一步修正为绝热过程后获得了正确的结果。 耳朵，作为早期实验探究中接收声音的主要工具，也引发了学者们的研究兴趣。1830年，法国物理学家用风机和旋转齿轮进行了一系列实验，测试出了人耳的听觉范围为每秒8次振动至每秒24000次振动。而著名的物理学家亥姆霍兹则给出了人耳机制的详细阐述，即所谓的共鸣理论，他认为，耳蜗基膜的各构成部件对传入耳朵的一定频率产生共鸣。亥姆霍兹对这种机械共鸣现象产生了巨大的兴趣，并且发明了一种共鸣器，即亥姆霍兹共鸣器。 至19世纪，人们对于声学的研究还停留在对于声学现象的基础研究，随着英国物理学家瑞利《声的理论》的出版，也宣告着人们对于声学的研究已初成体系。 三、工业革命促进电声应用 19世纪初，随着工业时代和科技革命的到来，人们对声学的研究也逐渐从基础研究转向生产应用，并与各个领域的发展相互促进，极大地影响和改变了人们的生活。基于上述声音的产生，传播与接收的研究过程，一系列电声器件首先进入到人们的生活。 1861年，赖斯发明了第一个语言传送器，他在铁棒上绕一个线圈装在共振匣上来充当听筒，靠磁致伸缩作用来使声音得以传送。他将附着金属的圆膜片与另一个金属触头相接来充当传声器，利用接触电阻的变化发生电声转换。但赖斯的设备并不能在实际中应用。 1877年，贝尔才发明了第一台可用的电话机。基于类似的换能原理，扬声器也实现了大规模的生产与应用。此外，爱迪生还利用膜片把声波变为机械振动记录下来的方式发明了留声机，留声机的发明极大地丰富了人们的生活，到20世纪以后，其录制方法逐渐被电声的方法所替代，并逐渐发展出录音机。 如果说19世纪是电声器件的时代，那么此后声学的发展则是基于实际应用，渗透到建筑，噪声控制，海洋，医学，地震，语音交互等各个领域，发