神探贝斯特-第90章

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　　　　热学是研究物质热现象、热运动规律以及热运动同其它运动形式之间转化规律的一门学科。（未完待续）
254　物理学之声学　上
　　　　声学是物理学一个分支，多科性的学科。是研究媒质中机械波的产生、传播、接收及其效应的科学。媒质包括物质各态（固体、液体和气体等），可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质。机械波包括振动，声音，超声和次声。声学在现代社会的各方面都有重要的应用；最显著的例子是无线电波和噪音的控制工业。

　　　　声学是研究媒质中机械波（即声波）的科学，研究范围包括声波的产生，接受，转换和声波的各种效应。同时声学测量技术是一种重要的测量技术，有着广泛的应用。声学是物理学分支学科之一，是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的科学。媒质包括物质各态（固体、液体和气体等），可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质。机械波是指质点运动变化（包括位移、速度、加速度中某一种或几种的变化）的传播现象。机械波就是声波。

　　　　声音的产生

　　　　最简单的声学就是声音的产生和传播，这也是声学研究的基础。

　　　　声音是由物体振动产生的。

　　　　声音的传播需要介质，它可在气体、液体和固体中传播，但真空不能传声。声音在不同物质中的传播速度也是不同的，一般在固体中传播的速度最快，液体次之，在气体中传播得最慢。并且，在气体中传播的速度还与气体的温度和压强有关。

　　　　声音的特点

　　　　有规律的悦耳声音叫乐音，没有规律的刺耳声音叫噪音。响度、音调和音色是决定乐音特征的三个因素。

　　　　响度。物理学中把人耳能感觉到的声音的强弱称为响度。声音的响度大小一般与声源振动的幅度有关，振动幅度越大，响度越大。分贝（db）则长用来表示声音的强弱。

　　　　音调。物理学中把声音的高、低称为音调。声音的音调高低一般与发生体振动快慢有关，物体振动频率越大，音调就越高。

　　　　音色。音色又叫音品。它反映了声音的品质和特色。不同物体发出的声音，其音色是不同的，因此我们才能分辨不同人讲话的声音、不同乐器演奏的声音等。

　　　　另外。有许多声音是正常人的耳朵听不到的。因为声波的频率范围很宽，由10hz到10hz。但正常人的耳朵只能听到20hz到20000hz之间的声音。通常把高于20000hz的声音称为超声波，低于20hz的声音称为次声波，在20hz到20000hz之间的声音称为可闻声。

　　　　研究历史

　　　　声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中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。世界上最早的声学研究工作在音乐方面。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，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体振动和声的产生原理作过贡献。

　　　　1635年就有人用远地枪声测声速，假设闪光传播不需时间。以后方法不断改进，到1738年巴黎科学院用炮声测量。测得结果折合到0°c时，声速为332m/s，与最准确的数值331。45m/s只差1。5‰。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中根据推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质，等等，经过复杂而难懂的推导求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。l。欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是由此算出的声速只有288m/s，与实验值相差很大。j。l。r。达朗伯于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。直到1816年，p。s。m。拉普拉斯指出只有在声波传播中空气温度不变时牛顿的推导才正确。而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比（定压比热容与定容比热容的比）γ与密度之比。据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。

　　　　直到19世纪末，接收声波的仪器只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10w/m（声压20μpa），在1000hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm（10m），只有空气分子直径的十分之一。

　　　　发现著名的电路定律的g。s。欧姆于1843年提出人耳可把复杂的声音分解为谐波分量，并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下，开展了听觉的声学研究（以后称为生理声学和心理声学），并取得重要的成果。其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》。在关闭空间（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，这引起所谓建筑声学或室内音质的研究。但直到1900年w。c。赛宾得到他的混响公式。才使建筑声学成为真正的科学。

　　　　19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果的最后总结者是瑞利，他在1877年出版的两卷《声学原理》中集经典声学的大成，开现代声学的先河。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，已发展为电声学。在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。在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下，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。这样，逐渐形成了完整的现代声学体系。（未完待续）
第255章　物理学之声学　中
　　　　研究特点

　　　　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。

　　　　现代声学研究一直涉及声子的运动、声子和物质相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性；所以声学既有经典性质，也有量子性质。人类的活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所。声学的边缘科学性质十分明显，边缘科学是科学的生长点，因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。

　　　　声学…特性概念

　　　　在气体和液体中只有纵波。在固体中除了纵波以外，还可能有横波，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10～10hz，在空气中可听声的波长（声速除以频率）为17mm～17m，在固体中，声**长的范围则为10～10m，比电磁波的波长范围至少大一千倍。声波的传播速度为声学

　　　　式中e是媒质的弹性模量，单位为帕（pa），p是媒质密度，单位为kg/m。气体中e＝γp，p是压力，单位是pa。声在媒质中传播有损耗时。e为复数（虚数部分代表损耗），c也是复数，其实数部分代表传播速度。虚数部分则与衰减常数（每单位距离强度或幅度的衰减）有关，测量后者可求得媒质中的损耗。

　　　　声行波强度用单位面积内传播的功率（以w/m为单位）表示。但是在声学测量中功率不易直接测量得，所以常用易于测量的声压表示。在声学中常见的声强范围或声压范围非常大，所以一般用对数表示，称声强级或声压级，单位是分贝（db）。先选一个基准值，一个强度等于其基准值10000倍的声，声强级称40db，强度1000000倍的声则强度级为60db。声强i与声压p的关系是声学

　　　　式中zc是媒质的声特性阻抗。zc=pc。声压增加10倍，声强则增加100倍，分贝数增加20。所以声压为其基准值的100倍时，声压级是40db。在使用声强级或声压级时，基准值必须说明。在空气中，pc=400，声强的基准值常取为10w/m，与这个声强相当的声压基准值为20μpa（即2x10n/m），这大约是人耳在1000hz所能听到的最低值。这时声强级与声压级相等（0db）（这是在空气中，并选择了适当的基准值情况下）。

　　　　声学…研究方法

　　　　波动声学

　　　　也称物理声学。是用波动理论研究声场的方法。在声**长与空间或物体的尺度数量级相近时，必须用波动声学分析。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。在关闭空间（例如室内，周围有表面）或半关闭空间（例如在水下或大气中。有上、下界面），反射波的互相干涉要形成一系列的固有振动（称为简正振动方式或简正波）。简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而形成的（注意到声**长较大和速度小等特性）。

　　　　射线声学

　　　　或称几何声学，它与几何光学相似。主要是研究波长非常小（与空间或物体尺度比较）时，能量沿直线的传播，即忽略衍射现象，只考虑声线的反射、折射等问题。这是在许多情况下都很有效的方法。例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念。

　　　　统计声学

　　　　主要研究波长非常小（与空间或物体比较），在某一频率范围内简正振动方式很多，频率分布很密时。忽略相位关系，只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。赛宾公式就可用统计声学方法推导。统计声学方法不限于在关闭或半关闭空间中使用。在声波传输中。统计能量技术解决很多问题，就是一例。

　　　　分支学科次声学、超声学、电声学、大气声学、音乐声学、语言声学、建筑声学、生理声学、生物声学、水声学、物理学、力学、热学、光学、电磁学、核物理学、固体物理学。

　　　　应用

　　　　科研应用

　　　　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。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。

　　　　表面波、