声学

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声学是指研究声波的产生、传播、接收和效应的科学。声学是物理学中最早深入研究的分支学科之一,随着19世纪无线电技术的发明和应用,声波的产生、传输、接收和测量技术都有了飞跃发展,此声学从古老的经典声学进人了近代声学的发展时期。近代声学的渗透性极强,声学与许多其他学科(如物理、化学、材料、生命、地学、环境等)、工程技术(如机械、建筑、电子、通讯等)及艺术领域相交叉,在这些领域发挥了重要又独特的作用,并进...

声学是指研究声波的产生、传播、接收和效应的科学。声学是物理学中最早深入研究的分支学科之一,随着19 世纪无线电技术的发明和应用,声波的产生、传输、接收和测量技术都有了飞跃发展,此声学从古老的经典声学进人了近代声学的发展时期。近代声学的渗透性极强,声学与许多其他学科(如物理、化学、材料、生命、地学、环境等)、工程技术(如机械、建筑、电子、通讯等)及艺术领域相交叉,在这些领域发挥了重要又独特的作用,并进一步发展了相应的理论和技术,从而逐步形成为独立的声学分支,如物理声学、非线性声学、量子声学、分子声学、超声学、光声学、电声学、建筑声学、环境声学、语言声学、生物声学、水声学、大气声学、地声学、生理声学、心理声学、音乐声学及声化学等,所以声学已不仅仅是一门科学,也是一门技术,同时又是一门艺术。

发展历史

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声音是人类最早研究的物理现象之一,声学是物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的唯一分支学科。从上古起直到19世纪,都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说:“情发于声,声成文谓之音”,“音和乃成乐”。声、音、乐三者不同,但都指可以听到的现象。同时又说“凡响曰声”,声引起的感觉(声觉)是响,但也称为声,与现代对声的定义相同。西方也是如此,acoustics的词源是希腊文akoustikos,意思是“听觉”。世界上最早的声学研究工作在音乐方面。

声学

河南信阳出土的“帠佀”蟠螭文编钟

《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。传说希腊时代,毕达哥拉斯也提出了相似的自然律(但是用弦作基础)。中国1957年河南信阳出土的“帠佀”蟠螭文编钟是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律,音色清纯,可以用来演奏现代音乐,这是中国古代声学成就的证明。在以后的2000多年中,对乐律的研究有不少进展。

明朝朱载堉于1584年提出的平均律,与当代西方乐器制造中使用的乐律完全相同,但比西方早提出300年。古代除了对声传播方式的认识外,对声本质的认识与今天的完全相同。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。这种认识现在看起来很简单,但是从古代人们的知识水平来看,却很了不起。例如,很长时期内古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的认识,一直到牛顿的时代对光还有粒子说和波动说的争执,而粒子说取得优势。至于热,“热质”说的影响时间则更长,直到19世纪后期,F.恩格斯还对它进行过批判。

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注意,几乎2000年前中国和西方都有人把声与水面波纹相类比。1635年就有人用远地枪声测声速,假设闪光传播不需时间。以后方法不断改进,到1738年巴黎科学院用炮声测量,测得结果折合到0°C时,声速为332m/s,与最准确的数值331.45m/s只差1.5‰,这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下的确是了不起的成绩。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。L. 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。J. L. R. 达朗伯于1747年首次导出弦的波动方程,并预言可用于声波。直到1816年,P. S. M. 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) γ 与密度之比。据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。

直到19世纪末,接收声波的仪器只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10 W/m (声压20μPa),在1000Hz时,相应的空气质点振动位移大约是10pm(=10 m),只有空气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,但至今还未能形成完整的听觉理论。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。音调与频率的关系明确后,对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究。发现著名的电路定律的G. S. 欧姆于1843年提出人耳可把复杂的声音分解为谐波分量,并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下,开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学),并取得重要的成果,其中最有名的是H. von亥姆霍兹的《音的感知》。在关闭空间(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W. C. 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,已发展为电声学。在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,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。这样,逐渐形成了完整的现代声学体系。

详细介绍

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释义

就该词的本义,系指任何与听觉有关的事物。但依通常所用,其一系指物理学中关于声音的属性、产生和传播的分支学科;其二系指建筑物适合清晰地听讲话、听音乐的质量。

声音由物体(比如乐器)的振动而产生,通过空气传播到耳鼓,耳鼓也产生同率振动。声音的高低(pitch)取决于物体振动的速度。物体振动快就产生“高音”,振动慢就产生“低音”。物体每秒钟的振动速率,叫做声音的“频率”

声音的响度(loudness)取决于振动的“振幅”。比如,用力地用琴弓拉一根小提琴弦时,这根弦就大距离地向左右两边摆动,由此产生强振动,发出一个响亮的声音;而轻轻地用琴弓拉一根弦时,这根弦仅仅小距离左右摆动,产生的振动弱而发出一个轻柔的声音。

较小的乐器产生的振动较快,较大的乐器产生的振动较慢。如双簧管的发音比它同类的大管要高。同样的道理,小提琴的发音比大提琴高;按指的发音比空弦音高;小男孩的嗓音比成年男子的嗓音高等等。制约音高的还有其他一些因素,如振动体的质量和张力。总的说,较细的小提琴弦比较粗的振动快,发音也高;一根弦的发音会随着弦轴拧紧而音升高。

不同的乐器和人声会发出各种音质(quality)不同的声音,这是因为几乎所有的振动都是复合的。如一根正在发音的小提琴弦不仅全长振动,各分段同时也在振动,根据分段各自不同的长度发音。这些分段振动发出的音不易用听觉辨别出来,然而这些音都纳入了整体音响效果。泛音列中的任何一个音(如G,D或B)的泛音的数目都是随八度连续升高而倍增。泛音的级数还可说明各泛音的频率与基音频率的比率。如大字组“G”的频率是每秒钟振动96次,高音谱表上的“B”(第五泛音)的振动次数是5×96=480,即每秒钟振动480次。

尽管这些泛音通常可以从复合音中听到,但在某些乐器上,一些泛音可分别获得。用特定的吹奏方法,一件铜管乐器可以发出其他泛音而不是第一泛音,或者说基音。用手指轻触一条弦的二分之一处,然后用弓拉弦,就会发出有特殊的清脆音色的第二泛音;在弦长的三分之一处触弦,同样会发出第三泛音等。(在弦乐谱上泛音以音符上方的“o”记号标记。自然泛音“natural harmonics”是从空弦上发出的泛音;人工泛音“artificial harmonics”是从加了按指的弦上发出。)

声音的传播(transmission of sound)通常通过空气。一条弦、一个鼓面或声带等的振动使附近的空气粒子产生同样的振动,这些粒子把振动又传递到其他粒子,这样连续传递直到最初的能渐渐耗尽。压力向邻近空气传播的过程产生我们所说的声波(sound waves)。声波与水运动产生的水波不同,声波没有朝前的运动,只是空气粒子振动并产生松紧交替的压力,依次传递到人或动物的耳鼓产生相同的影响(也就是振动),引起我们主观的“声音”效果。

判断不同的音高或音程,人的听觉遵守-条叫做“韦伯-费希纳定律”(Weber-Fechner law)的感觉法则。这条定律阐明:感觉的增加量和刺激的比率相等。音高的八度感觉是一个2:1的频率比。对声音响度的判断有两个“极限点”:听觉阀和痛觉阀。如果声音强度在听觉阀的极限点认为是1,声音强度在痛觉阀的极限点就是1兆。按照韦伯-费希纳定律,声学家使用的响度级是对数,基于10:1的强度比率,这就是我们知道的1贝(bel)。响度的感觉范围被分成12个大单位,1贝的增加量又分成10个称作分贝(decibel)的较小增加量,即1贝=10分贝。1分贝的响度差别对我们的中声区听觉来说大约是人耳可感觉到的最小变化量。

当我们同时听两个振动频率相近的音时,它们的振动必然在固定的音程中以重合形式出现,在感觉上音响彼此互相加强,这样一次称为一个振差(beat)。钢琴调音师在调整某一弦的音高与另一弦一致的过程中,会听到振差在频率中减少,直到随正确的调音逐渐消失。当振差的速率超过每秒钟20次,就会听到一个轻声的低音。

当我们同时听两个很响的音时,会产生第三个音,即合成音或引发音(combination tone,resultant tone)。这个低音相当于两个音振动数的差,叫差音(difference tone)。还可以产生第四个音(一个弱而高的合成音),它相当于两个音振动数的和,叫加成音(summation tone)。

同光线可以反射一样,亦有声反射(reflection of sound),比如我们都听到过的回声。同理,如果有阻碍物挡住了声振动的通行会产生声影(sound shadows)。然而不同于光振动,声振动倾向于围绕阻碍物“衍射”(diffract),并且不是任何固体都能产生一个完全的声影。大多数固体都程度不等地传递声振动,而只有少数固体(如玻璃)传递光振动。

共鸣(resonance)一词指一物体对一个特定音的响应,即这一物体由于那个音而振动。如果把两个调音相同的音叉放置在彼此靠近的地方,其中一个发声,另一个会产生和应振动,亦发出这个音。这时首先发音的音叉就是声音发生器(generator),随后和振的音叉就是共鸣器(resonator)。我们经常会发现教堂的某一窗户对管风琴的某个音产生反应,产生振动;房间里的某一金属或玻璃物体对特定的人声或乐器声也会产生类似的响应。

从共鸣这个词的严格科学意义说,这一现象是真正的共鸣(“再发声”)。这一词还有不太严格的用法。它有时指地板、墙壁及大厅顶棚对演奏或演唱的任何音而不局限于某个音的响应。一个大厅共鸣过分或是吸音过强(“太干”)都会使表演者和观众有不适感(一个有回声的大厅常被描述为“共鸣过分”,其实在单纯的声音反射和和应振动的增强之间有明确的区别)。混响时间应以声音每次减弱60分贝为限(原始辐射强度的百万分之一)。

墙壁和顶棚的制造材料应是既回响不过分又吸音不太强。声学工程师已经研究出建筑材料的吸音的综合效能系数,但是吸音能力难得在音高的整体幅面统一贯穿进行。只有木头或某些声学材料对整个频率范围有基本均等的吸音能力。放大器和扬声器可以用来(如今经常这样使用)克服建筑物原初设计不完善所带来的问题。大多数现代大厅建筑都可以进行电子“调音”,并备

有活动面板、活动天棚和混响室可适应任何类型正在演出的音乐。

声学是研究媒质中声波的产生、传播、接收、性质及其与其他物质相互作用的科学。

声学是经典物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的一个分支学科。因而它既古老而又颇具年轻活力。

声学是物理学中很早就得到发展的学科。声音是自然界中非常普遍、直观的现象,它很早就被人们所认识,无论是中国还是古代希腊,对声音、特别是在音律方面都有相当的研究。我国在3400多年以前的商代对乐器的制造和乐律学就已有丰富的知识,以后在声音的产生、传播、乐器制造、乐律学以及建筑和生产技术中声学效应的应用等方面,都有许多丰富的经验总结和卓越的发现和发明。国外对声的研究亦开始得很早,早在公元前500年,毕达哥拉斯就研究了音阶与和声问题,而对声学的系统研究则始于17世纪初伽利略对单摆周期和物体振动的研究。17世纪牛顿力学形成,把声学现象和机械运动统一起来,促进了声学的发展。声学的基本理论早在19世纪中叶就已相当完善,当时许多优秀的数学家、物理学家都对它作出过卓越的贡献。1877年英国物理学家瑞利(Lord John William Rayleigh,1842~1919)发表巨著《声学原理》集其大成,使声学成为物理学中一门严谨的相对独立的分支学科,并由此拉开了现代声学的序幕。

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。

自然界中,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。

特点

①大部分基础理论已比较成熟,这部分理论在经典声学中已有比较充分的发展。

②有些基础理论和应用基础理论,或基础理论在不同实际范围内的应用问题研究得较多;

③非常广泛地渗入到物理学其他分支和其他科学技术领域(包括工农业生产)以及文化艺术领域中。

声学

基础物理声学,是各分支的基础(图2)

图2表明现代声学的各分支和它们的基础以及同其他科学技术的关系。现代声学研究一直涉及声子的运动、声子和物质相互作用,以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性;所以声学既有经典性质,也有量子性质。

图2的中心是基础物理声学,是各分支的基础。声也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(媒质中质点的相对运动)在物质中的传播。中心圆外有两个同心环,各分作若干扇形。第一环中各扇形是声学的各个分支,外层中各扇形则是声学各分支的应用范围,这些范围的外面又分为分属各学科的五大类。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(质点振动的方向与声波传播方向相同,见图3)。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。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~Hz,在空气中可听声的波长(声速除以频率)为17mm~17m,在固体中,声波波长的范围则为~m,比电磁波的波长范围至少大一千倍。声学频率范围大致划分如表1。

声波的传播速度公式中 E是媒质的弹性模量,单位为帕(Pa), ρ是媒质密度,单位为。气体中 E= γpp是压力,单位是Pa。声在媒质中传播有损耗时, E为复数(虚数部分代表损耗), с也是复数,其实数部分代表传播速度,虚数部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关,测量后者可求得媒质中的损耗。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。

声行波强度用单位面积内传播的功率(以W/m 为单位)表示,但是在声学测量中功率不易直接测量得,所以常用易于测量的声压表示。在声学中常见的声强范围或声压范围非常大,所以一般用对数表示,称声强级或声压级,单位是分贝(dB)。先选一个基准值,一个强度等于其基准值10000倍的声,声强级称40dB,强度1000000倍的声则强度级为60dB。声强 I与声压 p的关系式中, Z是媒质的声特性阻抗, Z= ρ。声压增加10倍,声强则增加100倍,分贝数增加20。所以声压为其基准值的100倍时,声压级是40dB。在使用声强级或声压级时,基准值必须说明。在空气中, ρ=400,声强的基准值常取为10 W/m ,与这个声强相当的声压基准值为20μPa(即2×10 N/m ),这大约是人耳在1000Hz所能听到的最低值。这时声强级与声压级相等(0dB)(这是在空气中,并选择了适当的基准值情况下)。

声学

在气体和液体中只有纵波(图3)

声学方法

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与光学相似,在不同的情况,依据其特点,运用不同的声学方法。

波动

也称物理声学,是用波动理论研究声场的方法。在声波波长与空间或物体的尺度数量级相近时,必须用波动声学分析。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。在关闭空间(例如室内,周围有表面)或半关闭空间(例如在水下或大气中,有上、下界面),反射波的互相干涉要形成一系列的固有振动(称为简正振动方式或简正波)。简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而形成的(注意到声波波长较大和速度小等特性)。

声学

明朝朱载堉于1584年提出平均律

射线

或称几何声学,它与几何光学相似。主要是研究波长非常小(与空间或物体尺度比较)时,能量沿直线的传播,即忽略衍射现象,只考虑声线的反射、折射等问题。这是在许多情况下都很有效的方法。例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时,都用声线概念。

统计

主要研究波长非常小(与空间或物体比较),在某一频率范围内简正振动方式很多,频率分布很密时,忽略相位关系,只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。赛宾公式就可用统计声学方法推导。统计声学方法不限于在关闭或半关闭空间中使用。在声波传输中,统计能量技术解决很多问题,就是一例。

区别

声学方法与光学方法的比较

声学分析方法已成为物理学三个重要分析方法(声学方法、光学方法、粒子轰击方法)之一。声学方法与光学方法(包括电磁波方法)相比有相似处,也有不同处。相似处是:声波和光波都是波动,使用两种方法时,都运用了波动过程所应服从的一般规律,包括量子概念(声的量子称为声子)。

声学

在固体中有纵波,有横波等

不同处是:

①光波是横波,声波在气体中和液体中是纵波,而在固体中有纵波,有横波,还有纵横波、表面波等,情况更为复杂。

②声波比光波的传播速度小得多。(在气体中约差百万倍,在液体和固体中约差十万倍)

③一般物体(固态或液态)和材料对光波吸收很大,但对声波却很小,声波在不同媒质的界面上几乎是完全反射。这些传播性质有时造成结果上的极大差别,例如在普通实验室内很容易验证光波的平方反比定律(光的强度与到光源的距离平方成反比),虽然根据能量守恒定律声波也应满足平方反比定律,但在室内则无法测出。因为室内各表面对声波来说都是很好的反射面,声速又比较小,声音发出后要反射很多次,在室内往返多次,经过很长时间(称为混响时间,严格定义见建筑声学)才消失。任何点的声强都是这些直达声和反射声互相干涉的结果,与距离的关系很复杂。这就是为什么直到1900年赛宾提出混响理论以前,人们对很多声学现象不能理解的原因。

分支

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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”,当它的波长约为10 m量级时,已可与分子的大小相比拟,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10 Hz。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 Hz。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。

声学

各种不同频率的声波

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。

交叉学科

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生命科学

语言通信

主要研究语言的分析、合成和机器识别问题。录放声设备和电子计算机的发展在这些工作中起了很大促进作用。已作到语言可以根据打字文稿按声学规律合成声音,有限词汇的口语可以用机器自动识别,口语也可以转化为电码或由电码再转换为声音(声码器)并保存原来口语的特性。现在语言通信的设备还比较复杂,系统的质量和局限还有待于改进。这种改进不仅是技术上的,更重要的是对语言的产生和感知的基本理解。这只有深入进行语言和听觉的基础研究才能得到解决,而不是近期所能完成的(见语言声学)。

声学

获得良好的音质

听觉

听觉过程涉及生理声学和心理声学。能定量地表示声音在人耳产生的主观量(音调和响度),并求得与物理量(频率和强度)的函数关系,这是心理物理研究的重大成果。还建立了测听技术和耳鼓声阻抗测量技术,这是研究中耳和内耳病变的有效工具。在听觉研究中,所用的设备很简单,但所得结果却惊人的丰富。1961年物理学家 G. von 贝凯西曾由于在听觉方面的研究工作获得诺贝尔医学或生理学奖,这是物理学家在边缘学科中的工作受到了承认的例子。主要由于对神经系统和大脑的确切活动和作用机理不明,还未形成完整的听觉理论,但这方面已引起了很多声学工作者的重视,从20世纪50年代以来已取得很大成绩。通过大量的生理、心理物理实验可得出若干结论,并提出一些设想:声音到达人耳后,耳把它转换为机械振动,经中耳放大后再到达内耳,使蜗管中的基底膜发生共振。传感单元是基底膜上的内外两排毛细胞。外毛细胞基本是一排化学放大器,把振动传到内毛细胞,激发其弯曲振动,振动达到某阈值以上时,与内毛细胞接触的神经末梢就发出电脉冲,把信号通过神经系统送入大脑。与内毛细胞联结的神经核主要对基底膜振动速度响应,而外毛细胞响应于基底膜的位移。神经信号为几十毫伏的电脉冲,脉冲延续时间约几十毫秒。信号就通过神经脉冲送入大脑,图4是设想的流程图,从大脑再把信号分配到大脑皮层的各个中心,进行储存、分析、积分或抛弃。这是初步的理解,要建立起完整的听觉理论,解释所有听觉现象,还需要做大量的工作,这涉及到对大脑功能的研究。

在语言和听觉范围内,基础研究导致很多重要医疗设备的生产:整个装到耳听道内的助听器;保护听力的耳塞,为声带损伤病人用的人工喉,语言合成器,为全聋病人用的触觉感知器和人工耳蜗等等。

速度

一般来说,固体传播比水传播的速度快,水传播比空气传播的速度快。

医疗

声学在医疗方面的应用包括超声辅助诊断和超声治疗。

超声辅助诊断,最常见的就是B型超声成像,简称B超。通常这种超声诊断应用于腹部非侵入成像。其他常见类型的超声成像-辅助诊断是M超,即心动超声。与X线和CT相比,超声成像的优势在于对人体没有任何辐射伤害。声波是一种机械波,在穿过体内组织的同时也有部分声波反射,通过接受并且处理这些信息丰富的反射声波,我们可以利用这些信息形成体内实时的灰阶图像。在软组织成像中,效果比X光成像要好,但是由于骨头对超声有强烈的反射和吸收作用,因此经颅B超成像还处于起步阶段,国外已有报道使用相控换能器进行B-超经颅成像。它的价钱便宜,成像速度快,准确性高,无副作用,都是至今超声在腹部常规检查中不可替代原因。临床使用的超声辅助诊断技术还包括利用多普勒效应查体内运动(包括胎儿运动及血管内血液的流速等),

超声治疗,利用超声波是机械波的特性,利用机械波周期震荡的特点,有着不同的临床应用。神经外科在脑的深部用聚焦的超声波造成破坏,治疗脑肿瘤、帕金森综合症、脑血栓等,这样的治疗手段,不仅减少对脑部的损伤(可以进行非开颅手术治疗),而且不影响大脑的其他部分的功能。普通外科中,利用聚焦超声治疗腹部肝脏肿瘤,妇科肿瘤,前列腺癌,膀胱癌,都有显著的疗效。牙科用超声钻钻牙而丝毫不影响软组织,可以大大减少病人的不适。

声学在医学中还有很多可以应用的方面,但发展都很不够或根本未发展,特别是在治疗方面,主要原因是不能确定适当的剂量。中国科学院声学研究所牛凤岐教授,天津医科大学的菅喜岐教授,重庆医科大学的王智彪教授,对聚焦超声的理论、仿真和临床应有有着深入的研究,剂量问题也是他们的研究重点之一。

环境科学

当代重大环境问题之一是噪声污染,社会上对环境污染的意见(包括控告)有一半是噪声问题。除了长期在较强的噪声(90dB以上)中工作要造成耳聋外,不太强的噪声对人也会形成干扰。例如噪声级到70dB,对面谈话就有困难,50dB环境下睡眠、休息已受到严重影响。近年来,对声源发声机理的研究受到注意,也取得了不少成绩。例如,撞击声、气流声、机械振动声等的理论研究都取得重要成果,根据噪声发生的机理可求得控制噪声的有效方法。

声学

利用回声探测水下物体

振动对人危害也很大,虽然影响的人数比噪声少一些。常日手持凿岩机的矿山工人受振动危害严重时可得到白指病,甚至手指会逐节掉下。全身振动则可达到感觉不适、工作效率降低及至肌体损伤的程度,也应加以保护。对振动的保护一般采取质量弹簧系统或阻尼材料(见隔振、减振)。控制振动也是降低噪声的基本办法。

噪声控制中常遇到的声源功率范围非常大,这也增加了噪声控制工作的复杂性。例如一个大型火箭发动机的噪声功率可开动一架大型客机,而大型客机的噪声功率可开动一辆卡车。工业交通事业的进一步发展,其关键之一是降低噪声。噪声污染是工业化的后果,而降低噪声又是改善环境、提高人的工作效率、延长机器寿命的重要措施。

建筑声学

环境科学不但要克服环境污染,还要进一步研究造成适于人们生活和活动的环境。使在厅堂中听到的讲话清晰、音乐优美是建筑声学的任务,厅堂音质的主要问题是室内的混响。赛宾在 20 世纪初由大量实验总结出来的混响理论标志现代声学的开始。混响必须合适(要求因使用目的而异),有时还需要混响可变。在厅堂音质的研究中混响虽是主要因素但不是唯一因素。第二个因素常称为扩散。实验证明,由声源到听者的直达声及其后 50或100ms内到达的反射声对音质都有重要影响,反射声的方向分布也是很重要的因素,两侧传来的反射声似乎很重要,全面研究各种因素才能获得良好的音质。

实际应用

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应用

利用对声速和声衰减测量研究物质特性已应用于很广的范围。测出在空气中,实际的吸收系数比19世纪G. G. 斯托克斯和G. R. 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(见声吸收)。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。

声学

声学流程图

表面波、声全息、声成像、非线性声学、热脉冲、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。

瑞利时代就已经知道的表面波,现已用到微波系统小型化发展中。在压电材料(如石英)上镀收发电极,或在绝缘材料(如玻璃)上镀压电薄膜都可以作成表面波器件。声表面波的速度只有电磁波的十万分之几,相同频率下波长短得多,所以表面波器件的特点是小,在信号存储上和信号滤波上都优于电学元件,可在电路小型化中起很大作用。

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被检对象的情况,这就大大优于一般的超声检测方法。固体位错上的声发射则是另一个无损检测方法的基础。

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(见非线性声学)中。用热脉冲产生的超声频率可达到10 Hz以上,为凝聚态物理开辟了新的研究领域。

次声学主要是研究大气中周期为一秒至几小时的压力起伏。火山爆发、地震、风暴、台风等自然现象都是次声源。研究次声可以更深入地了解上述这些自然现象。次声在国防研究上也有重要应用,可以用来侦察和辨认大型爆破、火箭发射等。大气对次声的吸收很小,比较大的火山爆发,氢弹试验等产生的次声绕地球几周仍可被收到,可用次声测得这些事件。固体地球内声波的研究已发展为地震学。

研究液氦中的声传播也很有意义。早在40年代,Л. Д. 朗道就预计液氦温度低于 λ 点时可能有周期性的温度波动,后来将这种温度波称为第二声,而压力波为第一声。对第一声和第二声的研究又得到另外两种声:第三声超流态氦薄膜上超流体的纵波,第四声多孔材料孔中液氦中超流体内的压缩波。深入研究这些现象都已经成为研究液氦的物理特性尤其是量子性质的重要手段(见量子声学)。

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,包括了其他辐射(如电磁波等)所不能透过的物质。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。

仪器设备

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、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。用半导体(如 CdS)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。声功率也可超过人口所发声的 1011倍。声学测量分析仪器也达到了高度准确的程度,以台式计算机(微型计算机)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分钟就可以完成。以前无法进行的测量工作(如声强、简正波等)现在也可以测量了。这些手段就给声学各分支的进一步发展创造了很好的条件。

声学

声学示意图

研究课题

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音乐

音乐是声学研究最早注意的课题,已开始进入新的境界。用于音乐及立体声的录放和广播的磁带录声技术以及电子放大系统,带电子放大器的乐器等都已得到了广泛的应用。电子乐器和计算机音乐的问世为作曲家和演奏艺术家开辟了新的创作天地。电子音乐合成器产生的乐音既可以模拟现有任何乐器的声音,也可以创造出从来未有过的新乐音。电子计算机能够模拟整个乐队的演奏,作曲家可以坐在计算机前,通过计算机的信息处理,从事创作,一切都由他的手指操纵,并且可以一遍一遍地重听和修改,直到他满意为止。在音乐方面和物理学方面都受过完善教育的人,在音乐发展上是大有可为的,他可以把两个学科的新构思结合起来取得独特的艺术效果。

国防

除了上面已提到的次声外,声学对国防还有许多重要用途。语言通信在指挥联络上是关键性问题。超声检测和表面波器件在国防工业中起重要作用。其他各声学分支也都与国防有关,在国防中应用较多的是水声学。海洋中除声以外的各种信号都很难传到几米之外,因此水声技术在利用回声探测水下物体,如潜艇、海底、鱼群、沉船等,是有力手段。由于温度、压力等的分布,在水面下 1200m左右有一声速最低的深水声道(声发声道)。其中声速比其上、下层的都低,声波传入后就局限于声道内,损失很小。船舶遇到事故时,丢下一枚小型深水炸弹,其低频信号可在声道内传播几百甚至几千km远,在这个范围内的“声发”站接收到信号即可组织救援。在水下检测异物时就要用较高可听声频或较低超声频,这时水中吸收较大,只能达到较近区域,要延长作用距离还是个困难课题。在航海和渔业方面水声学也有广阔的应用前景。

相关学科

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、生物声学、水声学、物理学、力学、热学、光学、电磁学、核物理学、固体物理学。

专业介绍

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专业概况

声学(代码:070203W)属于理学大类,物理学类。

学制:四年

学位:授予理学学士学位

培养目标

本专业主要培养具有坚实系统的应用声学与信息科学基础,并掌握相应的电子技术、计算机技术及声学测量技术,能够适应高科技发展以及经济、教育等多方面的需要,从事科研、开发和教学的高层次人才。

通过学习,将具备了以下几方面的能力:

1、具备扎实的数理基础,宽阔的科学视野和一定的科研能力、创新能力;

2、掌握计算机软、硬件基础知识,较系统地掌握本学科的基本理论、基本知识、基本技能和基本方法;

4、具有较强的分析问题和解决问题的能力和综合实践能力;

5、了解国内外该学科发展的动态和趋势。

主要课程

声学基础、噪声控制概论、超声概论、声频测量、工程噪声控制、电声技术、音响技术、高等数学,普通物理及实验,数学物理方法,理论物理,近代物理实验,电子线路及实验,计算机原理及实验,算法语言及程序设计,信号与系统理论,声学基础,近代声学,传感器等

就业方向

毕业生具备电子、声学专业基础,主要从事音频工程,建筑声学,噪声控制,光声信息处理,声电子器件,超声医疗仪器、IT行业等领域相关的各类工作。还可以选择继续深造。

开设院校

南京大学(10284)、北京大学(10001)、北京理工大学(10007)、北京师范大学(10027)、大连理工大学(10141)、西北工业大学(10699)、同济大学(10247)、中国科学技术大学(10358)、清华大学(10003)、复旦大学(10246)、南开大学(10055)、浙江大学(10335)、中国人民大学(10002)、国防科学技术大学(90002)、湖南师范大学(13250)、华东师范大学(10269)、华中科技大学(10487)、厦门大学(10384)、重庆大学(10611)、上海师范大学(10270)、中央民族大学(10052)、陕西师范大学(10718)等。

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词条目录
  1. 发展历史
  2. 详细介绍
  3. 释义
  4. 特点
  5. 声波
  6. 声学方法
  7. 波动
  8. 射线
  9. 统计
  10. 区别
  11. 分支
  12. 交叉学科
  13. 生命科学
  14. 环境科学
  15. 建筑声学
  16. 实际应用
  17. 应用
  18. 仪器设备
  19. 研究课题
  20. 音乐
  21. 国防
  22. 相关学科
  23. 专业介绍
  24. 专业概况
  25. 培养目标
  26. 主要课程
  27. 就业方向
  28. 开设院校

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