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声学物理学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。

概述

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[1]、“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。

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[2]

声波

气体液体中只有纵波。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~Hz,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~m,比电磁波的波长范围至少大一千倍。

应用

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。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。

视频

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参考文献

  1. 从光力学到量子声学,知乎,2017-6-1
  2. 声学简介,个人图书馆,2014-09-14