关于声学介绍

[拼音]：shengxue

[外文]：acoustics

物理学分支学科之一，是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的科学。媒质包括物质各态（固体、液体和气体等），可以是d性媒质也可以是非d性媒质。机械波是指质点运动变化（包括位移、速度、加速度中某一种或几种的变化）的传播现象。机械波就是声波。

历史

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。《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（图1）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I.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q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，与目前最准确的数值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10-6W/m2(声压20μPa)，在1000Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10-11m)，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。目前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，目前已发展为电声学。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。

现代声学的特点

（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。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 10-4～1014Hz，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10-11～107m，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。

声波的传播速度为

式中E是媒质的d性模量，单位为帕(Pa)，ρ是媒质密度，单位为kg/m3。气体中E＝γp，p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d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/m2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的关系是

式中Zc是媒质的声特性阻抗，Zc=ρс。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，ρс=400，声强的基准值常取为10-6W/m2，与这个声强相当的声压基准值为20μPa(即2×10-5N/m2)，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）。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。

几个声学领域的特点

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。

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）。

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。

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。

声学仪器设备

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。近年用半导体（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。

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。目前测出在空气中，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。

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1012Hz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d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。

生命科学

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。目前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)。

听觉过程涉及生理声学和心理声学。目前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。目前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。

除了助听、助语设备外，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。有迹象说明低强度超声可加速伤口愈合，同时施用超声和X射线可使对癌症的辐射治疗更加有效，超声辐射可治愈脑血栓等，但这些都未形成常规的治疗手段。主要原因是不能确定适当的剂量，超声治疗的机理不明，不清楚是局部加热的结果，还是促进体液的流动起的作用。

超声检查体内器官并加以显示的方法有广泛的应用（图5）声波可透过人体并对体内任何阻抗的变化灵敏（折射、反射），因此超声透视颅内、心脏或腹内的某些功效远非X射线可比，而且不存在辐射病，但使用时也有局限。超声全息用于体内无损检测的技术则尚待发展。

达到临床使用的超声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），神经外科在脑的深部用聚焦的超声波造成破坏而不影响大脑的其他部分，利用超声处理治疗人耳中的平衡机构等。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。

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。

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d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。

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（图6）。

宿舍、公寓建筑的声学问题主要不是研究室内音质（因为房间都很小，混响时间不长），而常常是研究隔声，即要求尽量减小邻居之间的互相干扰：如楼上走路，楼下听得很清楚。隔声大小与墙壁或楼板的厚度（或单位面积的质量）直接有关，但建筑界的倾向是向轻结构发展，与隔声要求正相反，这就给声学家提出难题，劲度控制也许是解决这个矛盾的方法，但还需要做大量工作。城市噪声控制和音质涉及了多方面的问题，非常复杂，许多学科的专家都为此做出了重要贡献，但还有待更深入的进展（见建筑声学）。

其他

音乐是声学研究最早注意的课题，今日则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 *** 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。

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d，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。

参考书目

1. R. B. Lindsay， ed.，Acoustics， Historical and Philosophical Development， Dowden， Stroudsburg， 1972.
2. 马大猷、沈同编著：《声学手册》，科学出版社，北京，1983。

参考文章

• 水下声学Acoustics，Underwater地球科学
• 简述心肌声学造影（MCE）在评价冠状动脉微循环功能中的作用。内科