声学一瞥 A Brief Introduction to Acoustics 南京大学声学研究所，王新龙 声学是物理学经典学科之一，但其在中国至今尚未为大众所识。即使科学中人，亦多知其一而不知其二。人或以为，声学无非摆弄喇叭音响而已。诚然，诸如喇叭等电声器材是声学所研究的对象，但其之于声学，万之一也。况乎，当代电声多涉技术层面，学术含量有限，殆非声学研究之主流。亦或有人混淆声学与声乐。声学和声乐固然皆关乎声音，惟前者研究声音的物理原理和自然属性，而后者则关注声音的情感表达和艺术属性，相差何止千万?国人对声学之无知，其实反映了国人整体科学素质的现状，何足怪哉!本文试通俗易懂地阐明声学之内涵及外延。 汉语『声』与『音』两字其实有别(详见本博拙文《声与音之辩》)。然而，两者一般合成『声音』一词而通用于世，非特殊场合，弗作分别。大体而言，『声』乃指『声音』物理层面的，而『音』则指『声音』人文意义层面的，如人类语音、乐音。本博有关文章有时也不辨『声』与『音』之别，而惯用『声音』一词。读者根据上下文当可明了『声音』一词所指者何。声是弹性体内的机械波(mechanical waves)，谓之声波(sound waves, acoustic waves)。弹性体因其为声波之载体而被称为声媒质(medium)。自然界的流体(如空气、水等)和固体(如金属、岩石、土壤等)莫不为传声之良媒质。『声学』是关于一切声音现象的学问，旨在探究声音之产生、控制、传播与接收的规律，声音的处理与加工方法，以及声与物质相互作用的效应，研发有益于人类生活和有助于人类生产的技术。 汉语「声学」一词，始自北宋大家沉括。英语Acoustics一词，源自古希腊字akouein，听之谓也。首倡Acoustics之词者，或十八世纪初法国物理学家索维尔(Joseph Sauveur，1653-1716)。索维尔建议发展一门不仅包括乐音、而且涉及普通声音的新学科，谓之Acoustigue。 声音是自然界最普遍的现象之一，对人类之重要性不亚于光。人可无电，甚至可无火，但不可无光无声;芸芸众生皆然。造物主创造人与动物的同时，也赠与一对眼睛和一双耳朵，分别用于接收光与声，使之『看得见』，『听得到』。人和动物甚至还有发声的器官(嘴，兼具进食和发声双重功能)，但仅极少数动物具有发光的本领。 正因为声音对于人类之极端重要性，故声音最早为人所识。不过，早期研究多涉音乐。音乐乃人类最古老的艺术形式。除了用嘴歌唱之外，人类祖先很早就尝试用特殊构造的发声器件(乐器)以音乐的形式来表达内心情感。考古证明，中国古代对乐器之研製，伴随华夏文明之始。中原舞阳贾湖骨笛，距今九千年矣;江南河姆渡出土之骨笛，亦七千年有馀。据《吕氏春秋》载，黄帝命伶伦制律，遂有十二律吕。古华夏乃礼乐文明之邦。礼与乐，一表一裡，『乐者为同，礼者为异』。『王者功成作乐，治定制礼』，故而『舜作五絃之琴，以歌南风』。孔子在齐闻韶乐(传舜所作) ，『三月不知肉味』。『声者，乐之象也』，即声为乐之表达形式，是谓音乐。故而，我国对乐器和乐律之研究由来久矣。 中国古代不仅对乐律乐器贡献颇多，而且对声音产生和传播机理也有所认识，并有发明创造留存后世。惜乎，大明王子朱载堉对十二平均律数之研究，竟成中国古代声学之绝响。明亡清兴，王道衰微，专制日盛，奴性日滋，标新立异者难容于世，中国人的创造能力遂日趋退化。反之，在泰西之欧亚大陆，文艺复兴孕育了自由、民主与科学，包括声学在内的近代科学倏然而生。西方对声音之研究最早可追溯至古希腊的毕达哥拉斯对音阶的研究，系统的声学研究则始于十七世纪伽利略对单摆和弦振动週期的研究。随著十八世纪牛顿力学的形成，声与机械运动统一，极大地促进了经典声学的发展。至一八七七年瑞利勳爵(Lord Rayleigh)发表《声学原理》这一煌煌巨著，经典声学大厦遂告成矣。 在其发展初期，声学事涉人耳听觉，研究范围局限于可听声(Audible sound)。而把声音作为一种机械运动，则是对声音认识的飞跃，极大地拓宽了声学的研究范畴。由此，声学不仅成为物理学最具活力的学科之一，而且逐渐发展成具有广泛应用性的工程技术学科。从宏观到微观，从简单的机械运动到複杂的生命运动，从工程技术到日常生活、医疗保健，乃至音乐艺术和语言科学，无不为现代声学研究活动之所在。随之产生了众多学科分支，从传统的电声学和建筑声学，到涉及人类语言的语言声学，与量子物理结合的量子声学，与地球科学结合的地声学，与化学结合的声化学，等等。现代声学之历史、状况和趋势，在物理学中可谓独树一帜，在整个自然科学中殊属罕见。 以频率高低划分，声可分为可听声、超声(ultrasound)和次声(infrasound)。这实际上是「以人为本」的划分方法。可听声乃人耳可听觉之声音，涉及语言、音乐、房间音质、噪声、生物声等，故最为人类所知。确实，在一些人看来，可听声即声音之全部。其实，可听声仅仅是频率范围覆盖20赫兹的低频到20千赫兹的高频的声音，是声音宽广频谱中的一个子集。超声是频率超过人耳可听阈值(20千赫兹)的高频(短波)声波，其波长在厘米毫米量级，在工业加工、无损检测、人体疾病诊断与治疗方面有重要的应用。 进一步把超过500兆赫兹的极高频声波称为特超声。因其波长已达微米级，特超声是研究物质微观结构和性质的有效手段之一。在另一个极端是频率低于可听声的次声。次声频率与人体的诸多生理器官的固有频率处在同一量级，故而可能会产生重要的生理效应。极低频率的次声与重力场发生相互作用，由是形成声重力波。极低频次声往往由地震、火山喷发等地质自然过程产生，也可以由核爆炸等大规模人类活动过程产生。由于声波在媒质中的吸收衰减与频率(的N次方)成正比，故次声的衰减极弱，传播极远，甚至可环球传播。 就声音的强弱而言，有小振幅的线性声与有限振幅(甚至大振幅)的非线性声之分。相应地，人们把声学划分为线性声学(linear acoustics)和非线性声学(nonlinear acoustics)两大类。与光波和电磁波不同，支配声波运动的基本方程是非线性的，因此声本质上是非线性的。但是，在小振幅、线性的假设下，可以对支配声波运动的基本方程作线性化近似，遂导出声波传播的线性波动方程。线性声学事实上构成了近代声学的主体。由于线性声学遵循叠加原理，故可採用包括Fourier变换等高效数学手段来处理複杂的问题。 迄今，线性声学的基本理论构架业已完备。当前的研究重点在于把声学理论应用于实际工程技术领域，解决实际问题。非线性声学奇异深奥，现象丰富多彩。但是，非线性使得数学处理高度複杂，需借助十分高深的数学工具来求解声波方程，甚至不得已採用数值仿真工具来研究非线性问题。就目前的发展水平而言，尚不存在统一的普适理论体系来处理广泛的非线性声学问题，大多就事论事，个案处理。所以，非线性声学的发展远落后于线性声学，可以说尚处于初级发展阶段。虽然如此，随著数学手段的不断提高和计算能力的不断增强，非线性声学发展可期，是未来声学基础研究的主流。 以声波传播或产生途径也可对声学作分类，如气动声、水声、地声等，由此形成气动声学(aeroacoustics)、水声学(underwater acoustics)、地声学(underground acoustics)等重要分支。气动声是空气湍流或气动力作用物体而产生的声音，风吹树摇而发出的婆沙声，狂风席卷而发出的呼啸声，高速飞行器产生的声爆现象等等，不一而足。高速飞行器与气流相互作用存在複杂的气动声现象，是航空声学的重要研究内容之一。水作为传声体远比空气优越，不仅因为水声容易产生(声辐射器与水的匹配效果好)，而且因为水引起的声吸收很弱。水声乃实现水下通信之不二选择;潜艇若无声呐系统导航，则犹「摸著石头过河」。无论是现代化海军建设，抑或海洋资源勘探，水声学及其衍生的海洋声学研究都是不可或缺的。地声学在地下石油矿藏等资源勘探领域正扮演日益重要的角色。 总体而言，声学的研究大致有基础和应用之分。所谓声学基础研究，所关注者乃声的基本现象以及隐藏其后的物理规律。顾名思义，物理声学(Physical Acosutics)属于声学的基础研究。其实，凡探索性强、学术价值高的声学问题，莫不属于物理声学的研究范畴。物理声学的发展往往导致分化，产生新的分支学科;譬如，随著人们对非线性声现象研究的不断深入，非线性声学脱颖而出而单独形成一个重要的声学分支。事实上，对声学的基础研究而言，学科分支的边际是模糊的，很多其它分支中的某些问题其实也是物理声学的研究范畴;例如，吸声材料是建筑与噪声控制等工程声学的研究内容，但其所涉的吸声机理，当属物理声学无疑。应用声学(Applied Acoustics)虽然范围广阔，但每一个分支则相对比较单纯，大多侧重于某个具体的应用领域，而且往往是与其它某个学科交叉的产物。例如，建筑声学事关建筑设计有关的声学问题，噪声及其控制专事研究各类噪声的性质及其控制方法。声化学则以超声为手段，调控化学反应的过程和方向，提高化学反应产率。 下图乃美国声学家林赛(R. Bruce Lindsay)绘就的著名“声学之轮”。它形像地说明了建构在物理声学基础之上的声学如何与其它学科交叉而形成众多分支领域。诚然，林赛的“声学之轮”是上世纪六十年代绘就的，距今已半个世纪矣。如今的“声学之轮”更加“精密”，更加“複杂”。譬如，声学与环境科学的结合而形成了环境声学，声学与信息科学的交叉而形成了语音信息处理与语音通信，声学与医疗相结合而形成超声诊断学和超声治疗学，声学与公众休閒娱乐结合而成的景观声学，等等。迄今，声学从基础到应用研究已经形成完整的学术体系，其分支之多，殊属罕见。 林赛之轮 声学历久弥新，其高度可渗透性、可延伸性和边缘交叉性，使其研究内容不断丰富，研究领域不断拓展。换句话说，声学是一门内涵不断深化、外延不断扩大的『常为新』的学科。现代声学既是物理学的分支，又相对独成体系;既是基础性的学科，又有广泛深厚的工程应用背景。来源：网易XLwang的博客“聲之韻” |
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