声学

定义 

 声学是研究弹性介质中声波的产生、传播、接收和各种声效应的物理学分支学科。弹性介质包括气体、液体和固体;声波是指声振动在弹性介质中引起介质质点在空间逐点振动的传播现象。  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。

综述

  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或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。  

声学的分支

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〈-8〉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〈14〉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10-4Hz。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。  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。