当代物理前沿专题之五声学

《当代物理前沿专题之五声学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、当代物理前沿专题之五声学 汪德昭 应崇福 李启虎 张家騄5．1 一门古老而又年轻的科学15．2 声学的基本概念与理论55．3 听觉、语言和音乐85．4 超声及其应用135．5 声与海洋165．6 声信号的数字处理205．1 一门古老而又年轻的科学 5．1．1 声学的研究对象声学是物理学中发展最早的学科之一．它是研究机械振动在弹性媒质（气体、液体或固体）中传播规律的学科．它的起源可追溯到古代人类对于听觉、语言、音乐等的认识，到19世纪中叶，便已发展为一门体系较为严密的学科，当时瑞利所著的《声学理论》就是一部总结经典声学理论的巨著．20世纪以

2、来，声学的研究对象已从“可听声”延伸到人耳无法听到的次声和超声、特超声，其应用范围已遍及国民经济各个部门及国防和人类的日常生活．声学与其它学科互相结合互相渗透，形成了不少新的边缘学科．如电子音乐、语言合成、语言识别、声呐工程、激光超声、超声诊断和超声医学等．声音是一种机械振动的传播．我们人类生活在一个充满声音的世界里．在空气中的某一物体一旦发生振动，它就会引起物体周围媒质的运动，这种运动会一直向远处扩散开来，物体的振动也就被带到四面八方了．当这种振动传到我们耳朵里时，会引起鼓膜的同样的振动，这种振动经过一系列复杂的传导到了大脑的听觉神经，

3、我们便有了声音的感觉．显然，没有空气，我们就听不见声音．所以要听到声音，有两个很重要的条件，一个是振动的物体，一个是传播这种振动的媒质．空气、水和固体都可以是传播机械振动的媒质．声音在传播过程中还会引起物质的光学、电磁学、力学、化学性质方面的变化，而这些变化反过来又将影响声音的传播．同时，声音的刺激会对人类生理、心理发生作用并引起某种变化．所以，声学研究的范围很广，分支很多，粗略地说来，包括大气声学、水声学、电声学、超声学、建筑声学、音乐声学、语言声学、心理声学、生理声学等． 5．1．2 声学发展简史 现代声学的研究可以追溯到英国的伟大物

4、理学家牛顿的工作．他在1687年推导了声速公式，但因为用错了常数，使实际测量的声速值与理论不符．直到1816年，拉普拉斯提出气体的弹性恒量应采用绝热过程（而不是恒温过程）的弹性恒量，而使理论与实测的值达到一致．德国人克拉尼（1756～1827）是实验声学的创始人，他的名著《声学》是声学方面的第一本教科书，出版于1802年．一般认为，现代声学基础的奠基者是杰出的英国物理学家瑞利（1842～1919）．他在声学、振动理论、光学理论及热辐射方面都有贡献．他于1877年发表了《声学理论》，基本上完成了声学的数学理论．声学的发展和无线电电子学的发展

5、是分不开的．这里首先要提一下的是能把电信号变成声信号和把声信号变成电信号的换能装置．1861年赖斯发明了第一个扬声器．他在磁棒上绕上线圈，然后把它放在一个共振匣内，当变化的电流通过线圈时，由于电磁感应，线圈发生振动，通过共振匣发出了声音．1877年美国大发明家爱迪生发明了机械留声机．它由一个用锡箔包着的圆筒和装着针尖的膜片组成．当人对着话筒说话时，声压就从膜片传到针尖，转动锡箔圆筒，针尖就在锡箔上刻出沟纹．这一发明使人类第一次可以把声音存贮起来．水声方面的奠基性工作是法国物理学家朗之万（1872～1946）完成的．他于1914年利用电容发

6、射器和一只放在凹镜面焦点的磁粒微音器在水下进行实验，接收到了海底回波以及200m以外的一块装甲板的回波．1917年设计了第一台实用的回声定位仪．利用它，人们第一次收到了潜艇的回波．此后水声在军事上的应用日见显著，特别是第二次世界大战，促使各国科学家从事声呐的研究，使水下反潜战的技术水平有了巨大的改观．美国海军实验室的乌立克博士总结了他近30年的工作，发表了《水声工程原理》一书，可以说是对这方面工作的一个很好的总结．目前水声学已不只在军事上获得应用，在海洋开发方面也有许多应用．例如近海油气田的数字地震勘探，大洋测温监视全球环境，失事飞机、海

7、难救助的定位等．超声在医学方面的应用开始于70年代．1972年发明了一种可以显示人体内脏器官的超声仪器，即B模式扫描超声诊断仪（俗称B超）．将它用于产科诊断，获得了满意的结果．此后，各种不同体系结构的B超大量投入市场．目前，高分辨的彩色B超所得到的图像可与解剖图媲美．近年来超声方面的一个重大进展是声表面波器件．1885年，瑞利在理论上预言声波在某些固体上传播时，能量将集中于表面．1965年第一次用叉指换能器有效地产生了声表面波．于是声表面波器件获得了广泛的应用．目前已在电视、通信（无绳电话、寻呼电话）及雷达等方面使用声表面波器件．次声学的

8、研究也有很好的应用领域．利用空气中的次声可以侦察核爆炸．从1961年开始，美国在蒙大拿州的一块方圆几十平方公里的荒地上挖了深井，用于地震监视及侦察地下核爆炸．噪声污染已与空气、水的污染并列为人