正文 254 物理學之聲學 上 文 / 月之輪迴

    聲學是物理學一個分支，多科性的學科。是研究媒質中機械波的產生、傳播、接收及其效應的科學。媒質包括物質各態（固體、液體和氣體等），可以是彈性媒質也可以是非彈性媒質。機械波包括振動，聲音，超聲和次聲。聲學在現代社會的各方面都有重要的應用；最顯著的例子是無線電波和噪音的控制工業。

    聲學是研究媒質中機械波（即聲波）的科學，研究範圍包括聲波的產生，接受，轉換和聲波的各種效應。同時聲學測量技術是一種重要的測量技術，有著廣泛的應用。聲學是物理學分支學科之一，是研究媒質中機械波的產生、傳播、接收和效應的科學。媒質包括物質各態（固體、液體和氣體等），可以是彈性媒質也可以是非彈性媒質。機械波是指質點運動變化（包括位移、速度、加速度中某一種或幾種的變化）的傳播現象。機械波就是聲波。

    聲音的產生

    最簡單的聲學就是聲音的產生和傳播，這也是聲學研究的基礎。

    聲音是由物體振動產生的。

    聲音的傳播需要介質，它可在氣體、液體和固體中傳播，但真空不能傳聲。聲音在不同物質中的傳播速度也是不同的，一般在固體中傳播的速度最快，液體次之，在氣體中傳播得最慢。並且，在氣體中傳播的速度還與氣體的溫度和壓強有關。

    聲音的特點

    有規律的悅耳聲音叫樂音，沒有規律的刺耳聲音叫噪音。響度、音調和音色是決定樂音特徵的三個因素。

    響度。物理學中把人耳能感覺到的聲音的強弱稱為響度。聲音的響度大小一般與聲源振動的幅度有關，振動幅度越大，響度越大。分貝（db）則長用來表示聲音的強弱。

    音調。物理學中把聲音的高、低稱為音調。聲音的音調高低一般與發生體振動快慢有關，物體振動頻率越大，音調就越高。

    音色。音色又叫音品。它反映了聲音的品質和特色。不同物體發出的聲音，其音色是不同的，因此我們才能分辨不同人講話的聲音、不同樂器演奏的聲音等。

    另外。有許多聲音是正常人的耳朵聽不到的。因為聲波的頻率範圍很寬，由10hz到10hz。但正常人的耳朵只能聽到20hz到20000hz之間的聲音。通常把高於20000hz的聲音稱為超聲波，低於20hz的聲音稱為次聲波，在20hz到20000hz之間的聲音稱為可聞聲。

    研究歷史

    聲音是人類最早研究的物理現象之一，聲學是經典物理學中歷史最悠久而當前仍在前沿的唯一分支學科。從上古起直到19世紀，都是把聲音理解為可聽聲的同義語。世界上最早的聲學研究工作在音樂方面。對聲學的系統研究是從17世紀初伽利略研究單擺週期和物體振動開始的。從那時起直到19世紀，幾乎所有傑出的物理學家和數學家都對研究物體振動和聲的產生原理作過貢獻。

    1635年就有人用遠地槍聲測聲速，假設閃光傳播不需時間。以後方法不斷改進，到1738年巴黎科學院用炮聲測量。測得結果折合到0°c時，聲速為332m/s，與最準確的數值331.45m/s只差1.5‰。牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中根據推理：振動物體要推動鄰近媒質，後者又推動它的鄰近媒質，等等，經過複雜而難懂的推導求得聲速應等於大氣壓與密度之比的二次方根。l.歐拉在1759年根據這個概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結果。但是由此算出的聲速只有288m/s，與實驗值相差很大。j.l.r.達朗伯於1747年首次導出弦的波動方程，並預言可用於聲波。直到1816年，p.s.m.拉普拉斯指出只有在聲波傳播中空氣溫度不變時牛頓的推導才正確。而實際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應該是絕熱過程。因此，聲速的二次方應是大氣壓乘以比熱容比（定壓比熱容與定容比熱容的比）γ與密度之比。據此算出聲速的理論值與實驗值就完全一致了。

    直到19世紀末，接收聲波的儀器只有人耳。人耳能聽到的最低聲強大約是10w/m(聲壓20μpa)，在1000hz時，相應的空氣質點振動位移大約是10pm(10m)，只有空氣分子直徑的十分之一。

    發現著名的電路定律的g.s.歐姆於1843年提出人耳可把複雜的聲音分解為諧波份量，並按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學理論的啟發下，開展了聽覺的聲學研究（以後稱為生理聲學和心理聲學），並取得重要的成果。其中最有名的是亥姆霍茲的《音的感知》。在關閉空間（如房間、教室、禮堂、劇院等）裡面聽語言、音樂，效果有的很好。有的很不好，這引起所謂建築聲學或室內音質的研究。但直到1900年w.c.賽賓得到他的混響公式。才使建築聲學成為真正的科學。

    19世紀及以前兩三百年的大量聲學研究成果的最後總結者是瑞利，他在1877年出版的兩卷《聲學原理》中集經典聲學的大成，開現代聲學的先河。至今，特別是在理論分析工作中，還常引用這兩卷巨著。他開始討論的電話理論，已發展為電聲學。在20世紀，由於電子學的發展，使用電聲換能器和電子儀器設備，可以產生接收和利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強度的聲波，已使聲學研究的範圍遠非昔日可比。現代聲學中最初發展的分支就是建築聲學和電聲學以及相應的電聲測量。以後，隨著頻率範圍的擴展，又發展了超聲學和次聲學；由於手段的改善，進一步研究聽覺，發展了生理聲學和心理聲學；由於對語言和通信廣播的研究，發展了語言聲學。在第二次世界大戰中，開始把超聲廣泛地用到水下，使水聲學得到很大的發展。20世紀初以來，特別是20世紀50年代以來，全世界由於工業交通事業的巨大發展出現了噪聲環境污染問題，而促進了噪聲、噪聲控制、機械振動和衝擊研究的發展高速大功率機械應用日益廣泛。非線性聲學受到普遍重視。此外還有音樂聲學、生物聲學。這樣，逐漸形成了完整的現代聲學體系。(未完待續)

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