第1章 绪论
声学是物理学中很早就得到发展的分支学科，是研究声波的产生、传播、接收及其效应的科学。*早的声学研究工作主要在音乐方面，中国春秋时期就有三分损益法的记载，而古希腊时期的毕达哥拉斯就有关于音阶与和声问题的研究。本章首先介绍了声学的发展简史，包括经典声学和现代声学的发展；其次介绍现代声学的特点及主要分支学科的研究内容和进展。
1.1 经典声学的发展
声音是人类*早研究的物理现象之一，声学也是物理学中历史*悠久的分支学科。对声学的系统科学研究始于17 世纪初伽利略研究物体振动及其发出的声音。从那时起直到19 世纪，许多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。1660年，胡克研究了音调与频率的关系，发明了用齿轮在纸边转过以定频率高低的办法。索沃对音调和频率的关系作了更为深入的研究，提出了法语“Acoustique”这一名词，对应现在通用的英文“Acoustique”。1713 年，泰勒第一次求得了弦振动的初步严格解，但只有基频；直到1785 年，通过对偏微分方程的应用才得到弦的全解。有了偏微分方程，不但可以解决弦振动的理论问题，也可以解决固体振动问题。1787 年，克拉尼发表了用沙显示振动分布的克拉尼图形成为研究固体振动的重要实验手段。欧拉、伯努利、基尔霍夫、泊松等相继研究了棒、板及膜的振动。对于人的发声原理，惠斯通认为声带振动发出基音和大量的谐音；维李斯认为是来自肺部的气流进入口腔激发其共振而成声。1862 年，亥姆霍兹在其著作《音的感知》中指出这两种发声理论都有合理之处。
关于声传播的研究比起声波产生的研究更早受到关注。1635 年，法国伽桑狄采用远地枪声测量空气中的声速，随后方法不断改进，1738 年，巴黎科学院的科学家利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时为322 m/s，非常接近目前*准确的数值331.45 m/s。1687 年，牛顿提出振动通过媒质推动邻近媒质传递，并求得声速等于大气压与密度之比的二次方根。欧拉在1759 年提出更清楚的分析方法，也能得到牛顿的结果。但是，根据此公式算出的声速只有288 m/s，与实验值相差很大。1816 年，拉普拉斯指出牛顿对声波传导的推导只有在等温过程中正确，而实际情况应该是绝热过程。因此，声速应是大气压和比热容比（定压比热容与定容比热容的比）乘积与密度之比的二次方根，根据此公式计算得到的声速与实验值相符。
1747 年，法国的达朗贝尔得到了波动方程的通解。以此为基础，管中驻波的理论和实验研究在1800 年就已比较成熟。1820 年，法国数学家泊松给出了三维声波和开/闭管的严格解，并提出管的末端需要修正。1860 年，德国物理学家亥姆霍兹完成了管端修正。1866 年，德国孔特发明了研究管中声传播的细沙图方法，特别是测量空气或其他气体中声速的方法，现在常称驻波管为孔特管。1838 年，英国格林解决了平面声波斜入射到两种流体界面上的反射和折射问题。在上述工作中，科学家们都假设声传播为线性过程。1859 年，德国黎曼和英国厄恩肖分别独立得到了大振幅声波的表达式和行波解。从此，非线性声学得以发展。
声音的接收研究主要涉及人耳的听觉。1830 年，法国科学家萨瓦发现听觉范围为8 Hz～24 kHz，随后，西倍、毕奥、柯尼希、亥姆霍兹等继续研究，发现人耳听觉低频极限为16～32 Hz，因人而异，高频极限则个体差异性更强，且随年龄增加高频极限降低。目前广为认可的人耳可听声频率范围是20 Hz～20 kHz。1870 年，多普勒与玻尔兹曼采用光学干涉的方法测量空气密度的*大变化，推算出听觉的*低声强为10–7 W/cm2。1843 年，德国物理学家欧姆首次提出听觉理论，指出一个乐音具有基波和频率为整数倍的谐波，谐波结构决定乐音的音色。欧姆的工作推动了生理声学和心理声学的研究。1862 年，亥姆霍兹出版了伟大著作《音的感知》，提出耳内结构的共振理论。
瑞利在1877 年出版的两卷《声学原理》总结了三百年来的声学研究成果，例如弦、膜和板的振动，声波的传播和辐射，驻波和反射、衍射等现象。该书是经典声学的总结，标志着经典声学理论的形成和现代声学的开始。
1.2 现代声学的发展
随着20 世纪电子学的发展，人们可以利用电声换能器和电子仪器设备，产生/接收不同形式（频率、波形、强度可变）的声波，大大拓展了声学研究的范围。声波按照频率可以分为次声、可听声和超声；可听声的频率范围为20 Hz～20 kHz；从20 Hz 向下延伸到10–4 Hz 为次声；而由20 kHz 向上延伸到5×108 Hz 为超声；再向上延伸到1013 Hz为特超声。声波按照传播的介质可以分为空气声、超声和水声等。声波在不同频率范围或不同介质中的应用，形成了众多分支学科，几乎涉及人类活动的各个方面。
建筑声学和电声学是现代声学中*早发展的分支学科。在封闭空间（如房间、教室、礼堂、剧院等）里面听演讲、音乐，如何获得较好的听觉效果，就是建筑声学的研究内容之一。1900 年，赛宾提出房间混响时间规律——赛宾公式，使得建筑声学成为真正的科学。1876 年，贝尔发明了电话机并建立了波形原理，这可以说是电声学的开始。电声学主要研究电声换能原理，包括利用电子技术来产生各种频率、波形和强度的声音，以及声音的接收、放大、传输、测量、分析和记录等技术。由于电声学研究的声波在可听声的频率范围，因此与人类生活紧密相关。
随着声波频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学。焦耳在1847 年发现的磁致伸缩效应和居里兄弟在1880 年发现的压电效应奠定了超声学的发展基础。1912 年，理查森申请了超声回声定位/测距的专利，标志着现代超声研究的开始。超声学是研究声波频率高于20 kHz 的科学技术，在超声检测、超声处理和超声诊断等领域中获得广泛应用。1883 年，印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，人类第一次用简单微气压计记录到次声波。第一次世界大战前后，火炮和高能炸药等较强声源的出现，推动了大气中次声传播现象的研究。核武器的发展进一步推动了次声学的发展，在次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和次声传播等方面取得很多进展。自然界中有很多天然的次声源，例如火山爆发、坠入大气的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、雷电等，利用次声方法来预测它们的活动规律，已成为现代声学研究的重要课题。
随着研究手段的改善，人们进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学。生理声学和心理声学是研究人对声音生理和心理感知的分支学科。亥姆霍兹首先研究了声学与生理学、声学与音乐等的关系，提出人的内耳不同部位的共振，是人感知音高不同的决定因素。瑞利提出了双耳听觉是人能定位声源的原因。1933 年，立体声之父弗莱彻提出了等响曲线和临界频带，发现了人耳听觉非线性、听觉滤波和掩蔽效应。1957 年，兹维克进一步阐明耳蜗基底膜上有24 个点能对24 个不同频率产生*大幅度共振，从而将人耳可听频率范围20 Hz～20 kHz 分成24 个频带，即临界频带。
1912 年，泰坦尼克号沉船事故后，范信达研发了声呐控测装置，以确保船舶航行安全，标志着水声学的开始。1914 年，费森登制造了电动式水声换能器，可以测到两海里远的冰山。1917 年，朗之万发明了石英-钢夹心换能器，并利用真空管放大器，第一次收到了来自潜艇的回声。第二次世界大战进一步推动了水声学的发展，产生了众多成果，如主被动声呐、水声制导鱼雷、扫描声呐等。
20 世纪50 年代以来，全世界由于工业、交通等事业的迅速发展出现了噪声环境污染问题，促进了噪声及其控制技术的发展，例如：吸声、消声、隔声、隔振、阻尼、个人防护和建筑布局等。吸声设计一方面可利用塞宾公式、艾林-克努森公式、室内波动理论和几何声学理论，另一方面，其理论本身的发展催生了各种吸声材料和吸声结构，如超细玻璃棉、矿棉、吸声砖及各种共振吸声结构等。隔声理论中发展的质量定律和吻合效应等可用于设计各种隔声结构。
早在19 世纪，就有相关非线性声学的理论研究。欧拉、拉格朗日、泊松、斯托克斯、黎曼等研究了流体中的非线性波动理论，提出非线性声波在累积后形成间断的冲击波的预言，对非线性声学的发展起到重要影响。1930 年，贝塞尔和傅比尼提出了在声波中产生的谐波解。1948 年，埃卡特给出非平面有限振幅声波的解。直到20 世纪40 年代晚期，非线性声学才开始成为一门学科。自20 世纪50 年代以来，随着大功率超声、高速喷气发动机等强声源的不断出现和日益广泛应用，非线性声学获得了迅速进展。
1938 年，皮尔斯和格里芬证实了蝙蝠能发出超声波。随着科学技术特别是通信技术的发展，对动物声音通信方法的研究进展迅速。1956 年，在美国宾夕法尼亚州召开了世界上第一次生物声学学术讨论会，标志着生物声学的诞生。1963 年，比内尔的《动物的声学行为》汇集了当时生物声学研究的主要成果，是生物声学发展的一个里程碑。当前生物声学的研究范围更广，开始对次声波和超声波在分子-细胞-组织多层次的传播和相互作用规律进行研究，更多地与生命科学交叉融合。
除了上面已提到的声学领域以外，还有微声学、功率声学、音乐声学、通信声学等。这样就逐渐形成了完整的现代声学体系。
1.3 现代声学的特点和进展
著名声学家魏荣爵说过：“在物理学中，声学具有*大的‘外在性’，渗透到其他分支以至别的科技领域的部分*多，又被评为研究得*不成熟的分支”。现代声学具有极强的交叉性与延伸性，它与材料、能源、医学、通信、电子、环境以及海洋等现代科学技术的大部分学科发生了交叉，形成了若干丰富多彩的分支学科，各分支学科有相对的独
立性，但分支学科之间也有交叉（图1.1）。
图1.1 声学的交叉性
现代声学研究的介质种类越来越多，包含所有气体、液体和固体，介质的环境也向高温或低温、高压或低压等极端条件延展。现代声学的进展迅速，下面介绍与应用相关的几个重要分支学科的研究内容和研究热点。
音频技术：主要研究可听声频段声音的物理与感知机理及其应用，是声学领域一个既传统但又具有广阔应用前景的学科分支。随着通信、计算机与互联网、多媒体、虚拟现实以及人工智能技术的发展，音频技术的研究范畴拓展迅猛，涵盖所有与可听声的采集、存储、传输、处理、重放和感知有关的命题。音频技术的研究内容普遍源自实际应用场景的需求，从我们日常生活重度依赖的手机，到汽车领域方兴未艾的智能座舱，再到未来充满想象空间的虚拟现实与增强现实，都有大量音频技术用武之地。当前和未来研究热点包括：声学换能器和传感新器件的探索、复杂声场的建模与优化、声信息处理新方法、大规模多通道声场调控系统的优化、面向目标的空间声模式、房间均衡技术以及听觉感知认知机理等。值得注意的是，音频技术未来的发展呈现显著的“融合”特性。从处理目标上看，声信息处理和声场调控的一系列任务都有望统一在同一个框架下进行分析优化；从处理方法上看，经典的规则驱动处理方法与近二十年发展迅猛的数据驱动处理方法融合乃是大势所趋；从信息采集角度看，可听声的处理不仅依赖于声与振动的传感信息，光学、视觉甚至生理信息在很多应用场景中同样不可或缺，构建在融合感知信息基础上的多模处理有望推动音频技术的进一步发展。
环境声学：是研究声环境及其同人类活动的相互作用的一门分支学科，涉及物理学、建筑学、生理学、心理学、生物学和医学等领域。主要研究内容包括声音在空气环境中的产生、传播和接收，及其对人体产生的生理和心理影响，改善和控制声环境质量的技术和管理措施。随着工业生产和交通运输的迅猛发展，城市人口急剧增长，噪声源越来越多，噪声强度越来越高，人类的生活和工作环境受噪声的污染日益严重。噪声的研究成为环境声学的核心内容，主要包括噪声效应、噪声评价、噪声测量、噪声产生、噪声传播和噪声控制等。当前研究热点包括：在噪声效应方面，研究噪声对各类生物和环境生态的影响（包括陆上和水下）；在噪声评价方面，研究环境噪声评价的新方法、非常规噪声（如特定场合、高噪声源、特殊噪声）的评价
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