物理世界（三十三）

刘文旺

声学（下）

古代对声本质的认识与今天的声学理论很接近。在东西方，都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的听觉。对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。从那时起直到19世纪，几乎同时代所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献。
     声的传播问题很早就受到了注意，早在2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比。1635年就有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进。1738年，巴黎科学院的科学家利用炮声进行测量，得到0℃时空气声速为332m/s。1827年瑞士物理学家丹尼尔和法国数学家斯特姆在日内瓦湖进行实验，得到声在水中的传播速度是1435m/s,这在当时“声学仪器”只有停表和人耳的情况下，是非常了不起的成绩。

     人耳能听到的最低声强约为10-12W/m2,在1000Hz时相应的空气质点振动位移约是10-11m，可见人耳对声的接收本领确实惊人。19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，1843年发现著名的电路定律的欧姆提出，人耳可把复杂的声音分解成谐波分量，并按分音大小判断音色的理论。在欧姆声学理论的启发下，人们开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学)，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》。至今完整的听觉理论还未能形成，目前人们对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究。在语言和听觉范围内,理论的研究已导致了很多医疗设备的产生，如装在耳道内的助听器、人工喉、语言合成器、人工耳蜗等。

1877年，瑞利出版了两卷《声学原理》，书中集19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果之大成，开创了现代声学的先河。至今，特别是在理论分析工作中，还常引用这两卷巨著。他开始讨论的电话理论，目前已发展为电声学。
     20世纪，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生接收和利用任何频率、任何波形、几乎任何强度的声波，已使声学研究的范围远非昔日可比。现代声学中最初发展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量。以后，随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学。

             瑞利

在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促使水声学得到很大的发展。20世纪初以来，特别是20世纪50年代以来，全世界由于工业、交通等事业的巨大发展，出现了噪声环境污染问题，而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展。高速大功率机械应用日益广泛，非线性声学受到普遍重视。此外还有音乐声学、生物声学。多个分支学科的发展逐渐形成了完整的现代声学体系。

在牛顿力学建立之前，声学是作为独立学科而发展的，进展缓慢。从毕达哥拉斯以来没有明显的变化。直到伽利略的介入，才使得声学有了快速的发展。伽利略在他的《两门新科学》中指出，音乐的音调是由震振动的频率决定的。

     与此同时，法国的默森进一步指出，弦震动的频率与弦的张力的平方根成正比。他还认识到，弦线除了产生频率为n的基音外，还会产生频率为3n、5n的泛音。此外，他还是第一个测量声音在空气中的传播速度。他具体测出了在两个距离一定的距离内，火枪的闪光与声音传递的时间差。从而测量除了声音在空气中的传播速度。

     加桑迪、卡西尼、罗默也测量了声音在空气中的传播速度。，此外，格里凯用实验证明，声音不能再没有介质的空间传播。

     还是牛顿直接给出了声音的传播速度的具体的计算公式：

v=(p/ρ)^1/2

其中，p为大气压，ρ使空气的密度。后来，拉普拉斯进一步把这一公式修正为：

v=(pγ/ρ)^1/2

其中，γ=1.41       

到了十九世纪，声学已经成为物理学的一个重要的学科。

德国科学家克拉尼探究了弦的横振动，还在1799年发现了纵振动。他通过实验发现，声音在固体中的传播速度远大于在空气中的传播速度。他利用敲打铁管的方法，通过从声音传递的声速和从钢管传递过来的声音的时间差，测量出了声音在铁中的传递速度大约是3500m/s。他还具体测量声音在不同气体中的传递速度。

由于人们认为液体是不可压缩的，因此，对于声音在液体中的研究一直没有进展。直到1822年，奥斯特才测量到水的可压缩性。到了1827年，日内瓦的克莱顿和斯特姆在日内瓦湖中的两个岛上测量了声音在水中的传递速度，大约为1435m/s。

1863年赫尔姆霍茨在他的《声音的感觉的理论》中提出了，可以从声音的音强、音色、音调三个方面描述声音的特点。

那么为什么纯音给人以总美的享受，赫尔姆霍茨认为，这与拍有关。若干个声音组成的拍的频率是每秒33次，则产生难以接受的感觉。频率低于这一数值还可以接受。而当达到每秒132次时，不好听的身影就会消失。

赫尔姆霍茨

在声音的利用方面，在十九世纪的六、七十年代，人们发明了电话。今天就更方便了，随着科学技术的发展，我们有了手机，利用手机我们可以通话、看视频传递信息图像、字符、图片等。

在封闭空间(如房间、教室、礼堂、剧院等)里面听语言、音乐，效果有的很好，有的很不好，这引起今天所谓建筑声学或室内音质的研究。但直到1900年赛宾得到他的混响公式，才使建筑声学成为真正的科学。
     声波还具有广泛的应用，在军事方面，声纳就有重要的应用。

和空气中不同的是， 电磁波在水中衰减的速率非常的高，因此，无法做为侦测的讯号来源，因此以声波探测水面下的人造物体成为运用最广泛的手段。无论是潜艇或者是水面船只，都利用这项技术的衍生系统，探测水底下的物体，或者是以其作为导航的依据。

于是，探测水下目标的技术——声呐技术便应运而生。　声呐技术至今已有100年历史，它是1906年由英国海军的刘易斯·尼克森所发明。他发明的第一部声呐仪是一种被动式的聆听装置，主要用来侦测冰山。这种技术，到第一次世界大战时被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇

声纳可分为主动声纳——主动发射声波寻找目标和被动声纳——只接受声波不发射声波的声纳。

1、主动声呐：主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波时间，以及回波参数以测定目标的参数。有目的地主动从系统中发射声波的声呐称为主动声呐。可用来探测水下目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。具体地说，可通过回波信号与发射信号问的时延推知目标的距离，由回波波前法线方向可推知目标的方向，而由回波信号与发射信号之间的频移可推知目标的径向速度。此外由回波的幅度、相位及变化规律，可以识别出目标的外形、大小、性质和运动状态。

大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。它由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射 声波，然后接收回波进行计算，适用于探测 冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的 潜艇。

2、被动声呐：被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位和距离。它由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。

由于被动声呐本身不发射信号，所以目标将不会觉察声呐的存在及其意图。目标发出的声音及其特征，在声呐设计时并不为设计者所控制，对其了解也往往不全面。声呐设计者只能对某预定目标的声音进行设计，如目标为潜艇，那么目标自身发出的噪声包括螺旋桨转动噪声、艇体与水流摩擦产生的动水噪声，以及各种发动机的机械振动引起的辐射噪声等。因此被动声呐（噪音站）与主动声呐最根本的区别在于它在本舰噪声背景下接收远场目标发出的噪声。此时，目标噪声作为信号，且经远距传播后变得十分微弱。由此可知，被动声呐往往工作于低信噪比情况下，因而需要采用比主动声呐更多的信号处理措施。

声呐是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。此外，声呐技术还广泛用于鱼雷制导、水雷引信，以及鱼群探测、海洋石油勘探、船舶导航、水下作业、水文测量和海底地质地貌的勘测等。

此外，超声波还可以用来消毒、医疗诊病过程等。

（未完待续）