發(fā)展歷史

河南信陽(yáng)出土的“帠佀”蟠螭文編鐘

　　《呂氏春秋》記載，黃帝令伶?zhèn)惾≈褡髀?，增損長(zhǎng)短成十二律；伏羲作琴，三分損益成十三音。三分損益法就是把管(笛、簫)加長(zhǎng)三分之一或減短三分之一，聽(tīng)起來(lái)都很和諧，這是最早的聲學(xué)定律。傳說(shuō)希臘時(shí)代，畢達(dá)哥拉斯也提出了相似的自然律(但是用弦作基礎(chǔ))。中國(guó)1957年河南信陽(yáng)出土的“帠佀”蟠螭文編鐘是為紀(jì)念晉國(guó)于公元前 525年與楚作戰(zhàn)而鑄的。其音階完全符合自然律，音色清純，可以用來(lái)演奏現(xiàn)代音樂(lè)，這是中國(guó)古代聲學(xué)成就的證明。在以后的2000多年中，對(duì)樂(lè)律的研究有不少進(jìn)展。

　　明朝朱載堉于1584年提出的平均律，與當(dāng)代西方樂(lè)器制造中使用的樂(lè)律完全相同，但比西方早提出300年。古代除了對(duì)聲傳播方式的認(rèn)識(shí)外，對(duì)聲本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與今天的完全相同。在東西方，都認(rèn)為聲音是由物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，在空氣中以某種方式傳到人耳，引起人的聽(tīng)覺(jué)。這種認(rèn)識(shí)現(xiàn)在看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是從古代人們的知識(shí)水平來(lái)看，卻很了不起。例如，很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)古代人們對(duì)日常遇到的光和熱就沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)，一直到牛頓的時(shí)代對(duì)光還有粒子說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)執(zhí)，而粒子說(shuō)取得優(yōu)勢(shì)。至于熱，“熱質(zhì)”說(shuō)的影響時(shí)間則更長(zhǎng)，直到19世紀(jì)后期，F(xiàn).恩格斯還對(duì)它進(jìn)行過(guò)批判。

　　對(duì)聲學(xué)的系統(tǒng)研究是從17世紀(jì)初伽利略研究單擺周期和物體振動(dòng)開(kāi)始的。從那時(shí)起直到19世紀(jì)，幾乎所有杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家都對(duì)研究物體振動(dòng)和聲的產(chǎn)生原理作過(guò)貢獻(xiàn)。聲的傳播問(wèn)題則更早就受到注意，幾乎2000年前中國(guó)和西方都有人把聲與水面波紋相類(lèi)比。1635年就有人用遠(yuǎn)地槍聲測(cè)聲速，假設(shè)閃光傳播不需時(shí)間。以后方法不斷改進(jìn)，到1738年巴黎科學(xué)院用炮聲測(cè)量，測(cè)得結(jié)果折合到0°C時(shí)，聲速為332m/s，與最準(zhǔn)確的數(shù)值331.45m/s只差1.5‰，這在當(dāng)時(shí)“聲學(xué)儀器”只有停表和人耳和情況下的確是了不起的成績(jī)。牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中根據(jù)推理：振動(dòng)物體要推動(dòng)鄰近媒質(zhì)，后者又推動(dòng)它的鄰近媒質(zhì)，等等，經(jīng)過(guò)復(fù)雜而難懂的推導(dǎo)求得聲速應(yīng)等于大氣壓與密度之比的二次方根。L.歐拉在1759年根據(jù)這個(gè)概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結(jié)果。但是由此算出的聲速只有288m/s，與實(shí)驗(yàn)值相差很大。J.L.R.達(dá)朗伯于1747年首次導(dǎo)出弦的波動(dòng)方程，并預(yù)言可用于聲波。直到1816年，P.S.M.拉普拉斯指出只有在聲波傳播中空氣溫度不變時(shí)牛頓的推導(dǎo)才正確，而實(shí)際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過(guò)程，而應(yīng)該是絕熱過(guò)程，因此，聲速的二次方應(yīng)是大氣壓乘以比熱容比（定壓比熱容與定容比熱容的比）γ 與密度之比。據(jù)此算出聲速的理論值與實(shí)驗(yàn)值就完全一致了。

　　直到19世紀(jì)末，接收聲波的儀器只有人耳。人耳能聽(tīng)到的最低聲強(qiáng)大約是10-6W/m2(聲壓20μPa)，在1000Hz時(shí)，相應(yīng)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移大約是10pm(10-11m)，只有空氣分子直徑的十分之一，可見(jiàn)人耳對(duì)聲的接收確實(shí)驚人。19世紀(jì)中就有不少人耳解剖的工作和對(duì)人耳功能的探討，但至今還未能形成完整的聽(tīng)覺(jué)理論。對(duì)聲刺激通過(guò)聽(tīng)覺(jué)器官、神經(jīng)系統(tǒng)到達(dá)大腦皮層的過(guò)程有所了解，但這過(guò)程以后大腦皮層如何進(jìn)行分析、處理、判斷還有待進(jìn)一步研究。音調(diào)與頻率的關(guān)系明確后，對(duì)人耳聽(tīng)覺(jué)的頻率范圍和靈敏度也都有不少的研究。發(fā)現(xiàn)著名的電路定律的G.S.歐姆于1843年提出人耳可把復(fù)雜的聲音分解為諧波分量，并按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學(xué)理論的啟發(fā)下，開(kāi)展了聽(tīng)覺(jué)的聲學(xué)研究（以后稱為生理聲學(xué)和心理聲學(xué)），并取得重要的成果，其中最有名的是 H.von亥姆霍茲的《音的感知》。在關(guān)閉空間（如房間、教室、禮堂、劇院等）里面聽(tīng)語(yǔ)言、音樂(lè)，效果有的很好，有的很不好，這引起今天所謂建筑聲學(xué)或室內(nèi)音質(zhì)的研究。但直到1900年W.C.賽賓得到他的混響公式，才使建筑聲學(xué)成為真正的科學(xué)。

　　19世紀(jì)及以前兩三百年的大量聲學(xué)研究成果的最后總結(jié)者是瑞利，他在1877年出版的兩卷《聲學(xué)原理》中集經(jīng)典聲學(xué)的大成，開(kāi)現(xiàn)代聲學(xué)的先河。至今，特別是在理論分析工作中，還常引用這兩卷巨著。他開(kāi)始討論的電話理論，已發(fā)展為電聲學(xué)。在20世紀(jì)，由于電子學(xué)的發(fā)展，使用電聲換能器和電子儀器設(shè)備，可以產(chǎn)生接收和利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強(qiáng)度的聲波，已使聲學(xué)研究的范圍遠(yuǎn)非昔日可比?，F(xiàn)代聲學(xué)中最初發(fā)展的分支就是建筑聲學(xué)和電聲學(xué)以及相應(yīng)的電聲測(cè)量。以后，隨著頻率范圍的擴(kuò)展，又發(fā)展了超聲學(xué)和次聲學(xué)；由于手段的改善，進(jìn)一步研究聽(tīng)覺(jué)，發(fā)展了生理聲學(xué)和心理聲學(xué)；由于對(duì)語(yǔ)言和通信廣播的研究，發(fā)展了語(yǔ)言聲學(xué)。在第二次世界大戰(zhàn)中，開(kāi)始把超聲廣泛地用到水下，使水聲學(xué)得到很大的發(fā)展。20世紀(jì)初以來(lái)，特別是20世紀(jì)50年代以來(lái)，全世界由于工業(yè)交通事業(yè)的巨大發(fā)展出現(xiàn)了噪聲環(huán)境污染問(wèn)題，而促進(jìn)了噪聲、噪聲控制、機(jī)械振動(dòng)和沖擊研究的發(fā)展高速大功率機(jī)械應(yīng)用日益廣泛。非線性聲學(xué)受到普遍重視。此外還有音樂(lè)聲學(xué)、生物聲學(xué)。這樣，逐漸形成了完整的現(xiàn)代聲學(xué)體系。

特點(diǎn)

基礎(chǔ)物理聲學(xué)，是各分支的基礎(chǔ)(圖2)

　　圖2的中心是基礎(chǔ)物理聲學(xué)，是各分支的基礎(chǔ)。聲也可以說(shuō)是在物質(zhì)媒質(zhì)中的機(jī)械輻射。機(jī)械輻射的意思是機(jī)械擾動(dòng)(媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng))在物質(zhì)中的傳播。中心圓外有兩個(gè)同心環(huán)，各分作若干扇形。第一環(huán)中各扇形是聲學(xué)的各個(gè)分支，外層中各扇形則是聲學(xué)各分支的應(yīng)用范圍，這些范圍的外面又分為分屬各學(xué)科的五大類(lèi)。人類(lèi)的活動(dòng)幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語(yǔ)言音樂(lè)，從地球到人的大腦，從機(jī)械工程到醫(yī)學(xué)，從微觀到宏觀，都是聲學(xué)家活動(dòng)的場(chǎng)所。聲學(xué)的邊緣科學(xué)性質(zhì)十分明顯，邊緣科學(xué)是科學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)，因此有人主張聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)最好的發(fā)展方向。

聲波

在氣體和液體中只有縱波(圖3)

　　聲波的傳播速度公式中E是媒質(zhì)的彈性模量，單位為帕(Pa)，ρ是媒質(zhì)密度，單位為kg/m3。氣體中E＝γp，p是壓力，單位是Pa。聲在媒質(zhì)中傳播有損耗時(shí)，E為復(fù)數(shù)(虛數(shù)部分代表?yè)p耗)，с也是復(fù)數(shù)，其實(shí)數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)（每單位距離強(qiáng)度或幅度的衰減）有關(guān)，測(cè)量后者可求得媒質(zhì)中的損耗。聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量、密度、內(nèi)耗以及形狀大?。óa(chǎn)生折射、反射、衍射等）有關(guān)。測(cè)量聲波傳播的特性可以研究媒質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和幾何性質(zhì)，聲學(xué)之所以發(fā)展成擁有眾多分支并且與許多科學(xué)、技術(shù)和文化藝術(shù)有密切關(guān)系的學(xué)科，原因就在于此。

　　聲行波強(qiáng)度用單位面積內(nèi)傳播的功率（以W/m2為單位）表示，但是在聲學(xué)測(cè)量中功率不易直接測(cè)量得，所以常用易于測(cè)量的聲壓表示。在聲學(xué)中常見(jiàn)的聲強(qiáng)范圍或聲壓范圍非常大，所以一般用對(duì)數(shù)表示，稱聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)，單位是分貝(dB)。先選一個(gè)基準(zhǔn)值，一個(gè)強(qiáng)度等于其基準(zhǔn)值10000倍的聲，聲強(qiáng)級(jí)稱40dB，強(qiáng)度1000000倍的聲則強(qiáng)度級(jí)為60dB。聲強(qiáng)I與聲壓p的關(guān)系是 式中Zc是媒質(zhì)的聲特性阻抗，Zc=ρс。聲壓增加10倍，聲強(qiáng)則增加100倍，分貝數(shù)增加20。所以聲壓為其基準(zhǔn)值的100倍時(shí)，聲壓級(jí)是40dB。在使用聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)時(shí)，基準(zhǔn)值必須說(shuō)明。在空氣中，ρс=400，聲強(qiáng)的基準(zhǔn)值常取為10-6W/m2，與這個(gè)聲強(qiáng)相當(dāng)?shù)穆晧夯鶞?zhǔn)值為20μPa(即2×10-5N/m2)，這大約是人耳在1000Hz所能聽(tīng)到的最低值。這時(shí)聲強(qiáng)級(jí)與聲壓級(jí)相等(0dB)(這是在空氣中，并選擇了適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)值情況下)。

區(qū)別

　　聲學(xué)分析方法已成為物理學(xué)三個(gè)重要分析方法（聲學(xué)方法、光學(xué)方法、粒子轟擊方法）之一。聲學(xué)方法與光學(xué)方法（包括電磁波方法）相比有相似處，也有不同處。相似處是：聲波和光波都是波動(dòng)，使用兩種方法時(shí)，都運(yùn)用了波動(dòng)過(guò)程所應(yīng)服從的一般規(guī)律，包括量子概念（聲的量子稱為

在固體中有縱波，有橫波等

　　不同處是：

　　①光波是橫波，聲波在氣體中和液體中是縱波，而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為復(fù)雜

　?、诼暡ū裙獠ǖ膫鞑ニ俣刃〉枚啵ㄔ跉怏w中約差百萬(wàn)倍，在液體和固體中約差十萬(wàn)倍）；

　?、垡话阄矬w（固態(tài)或液態(tài)）和材料對(duì)光波吸收很大，但對(duì)聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)的界面上幾乎是完全反射。這些傳播性質(zhì)有時(shí)造成結(jié)果上的極大差別，例如在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很容易驗(yàn)證光波的平方反比定律（光的強(qiáng)度與到光源的距離平方成反比），雖然根據(jù)能量守恒定律聲波也應(yīng)滿足平方反比定律，但在室內(nèi)則無(wú)法測(cè)出。因?yàn)槭覂?nèi)各表面對(duì)聲波來(lái)說(shuō)都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發(fā)出后要反射很多次，在室內(nèi)往返多次，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間（稱為混響時(shí)間，嚴(yán)格定義見(jiàn)建筑聲學(xué)）才消失。任何點(diǎn)的聲強(qiáng)都是這些直達(dá)聲和反射聲互相干涉的結(jié)果，與距離的關(guān)系很復(fù)雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對(duì)很多聲學(xué)現(xiàn)象不能理解的原因。

聲學(xué)領(lǐng)域

介紹

波動(dòng)聲學(xué)

明朝朱載堉于1584年提出平均律

射線聲學(xué)

統(tǒng)計(jì)聲學(xué)

儀器設(shè)備

聲學(xué)示意圖

實(shí)際應(yīng)用

聲學(xué)流程圖

　　表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學(xué)、熱脈沖、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。

　　瑞利時(shí)代就已經(jīng)知道的表面波，現(xiàn)已用到微波系統(tǒng)小型化發(fā)展中。在壓電材料(如石英)上鍍收發(fā)電極，或在絕緣材料（如玻璃）上鍍壓電薄膜都可以作成表面波器件。聲表面波的速度只有電磁波的十萬(wàn)分之幾，相同頻率下波長(zhǎng)短得多，所以表面波器件的特點(diǎn)是小，在信號(hào)存儲(chǔ)上和信號(hào)濾波上都優(yōu)于電學(xué)元件，可在電路小型化中起很大作用。

　　聲全息和聲成像是無(wú)損檢測(cè)方法的重要發(fā)展。將聲信號(hào)變成電信號(hào)，而電信號(hào)可經(jīng)過(guò)電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應(yīng)被檢對(duì)象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測(cè)方法。固體位錯(cuò)上的聲發(fā)射則是另一個(gè)無(wú)損檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。

　　聲波在固體和液體中的非線性特性可通過(guò)媒質(zhì)中聲速的微小變化來(lái)研究，應(yīng)用聲波的非線性特性可以實(shí)現(xiàn)和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶（見(jiàn)非線性聲學(xué)）中。 用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達(dá)到1012Hz以上，為凝聚態(tài)物理開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。

　　次聲學(xué)主要是研究大氣中周期為一秒至幾小時(shí)的壓力起伏?；鹕奖l(fā)、地震、風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)等自然現(xiàn)象都是次聲源。研究次聲可以更深入地了解上述這些自然現(xiàn)象。次聲在國(guó)防研究上也有重要應(yīng)用，可以用來(lái)偵察和辨認(rèn)大型爆破、火箭發(fā)射等。大氣對(duì)次聲的吸收很小，比較大的火山爆發(fā)，氫彈試驗(yàn)等產(chǎn)生的次聲繞地球幾周仍可被收到，可用次聲測(cè)得這些事件。固體地球內(nèi)聲波的研究已發(fā)展為地震學(xué)。

　　研究液氦中的聲傳播也很有意義。早在40年代，Л·Д·朗道就預(yù)計(jì)液氦溫度低于λ 點(diǎn)時(shí)可能有周期性的溫度波動(dòng)，后來(lái)將這種溫度波稱為第二聲，而壓力波為第一聲。對(duì)第一聲和第二聲的研究又得到另外兩種聲：第三聲超流態(tài)氦薄膜上超流體的縱波，第四聲多孔材料孔中液氦中超流體內(nèi)的壓縮波。深入研究這些現(xiàn)象都已經(jīng)成為研究液氦的物理特性尤其是量子性質(zhì)的重要手段（見(jiàn)量子聲學(xué)）。

　　聲波可以透過(guò)所有物體：不論透明或不透明的，導(dǎo)電或非導(dǎo)電的，包括了其他輻射（如電磁波等）所不能透過(guò)的物質(zhì)。因此，從大氣、地球內(nèi)部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點(diǎn)陣等微小部分都是聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái)在地震觀測(cè)中，測(cè)定了固體地球的簡(jiǎn)正振動(dòng)，找出了地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模型，月球上放置的地聲接收器對(duì)月球內(nèi)部監(jiān)測(cè)的結(jié)果，也同樣令人滿意。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，從而避免大量傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

生命科學(xué)

語(yǔ)言通信

獲得良好的音質(zhì)

聽(tīng)覺(jué)

　　在語(yǔ)言和聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，基礎(chǔ)研究導(dǎo)致很多重要醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)：整個(gè)裝到耳聽(tīng)道內(nèi)的助聽(tīng)器；保護(hù)聽(tīng)力的耳塞，為聲帶損傷病人用的人工喉，語(yǔ)言合成器，為全聾病人用的觸覺(jué)感知器和人工耳蝸等等。

醫(yī)療

超聲檢查體內(nèi)器官并加以顯示

　　超聲檢查體內(nèi)器官并加以顯示的方法有廣泛的應(yīng)用聲波可透過(guò)人體并對(duì)體內(nèi)任何阻抗的變化靈敏（折射、反射），因此超聲透視顱內(nèi)、心臟或腹內(nèi)的某些功效遠(yuǎn)非X射線可比，而且不存在輻射病，但使用時(shí)也有局限。超聲全息用于體內(nèi)無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)則尚待發(fā)展。

　　達(dá)到臨床使用的超聲技術(shù)還包括利用多普勒效應(yīng)查體內(nèi)運(yùn)動(dòng)（包括胎兒運(yùn)動(dòng)及血管內(nèi)血液的流速等），神經(jīng)外科在腦的深部用聚焦的超聲波造成破壞而不影響大腦的其他部分，利用超聲處理治療人耳中的平衡機(jī)構(gòu)等。牙科用超聲鉆鉆牙而絲毫不影響軟組織，可以大大減少病人的不適。

環(huán)境科學(xué)

利用回聲探測(cè)水下物體

　　振動(dòng)對(duì)人危害也很大，雖然影響的人數(shù)比噪聲少一些。常日手持鑿巖機(jī)的礦山工人受振動(dòng)危害嚴(yán)重時(shí)可得到白指病，甚至手指會(huì)逐節(jié)掉下。全身振動(dòng)則可達(dá)到感覺(jué)不適、工作效率降低及至肌體損傷的程度，也應(yīng)加以保護(hù)。對(duì)振動(dòng)的保護(hù)一般采取質(zhì)量彈簧系統(tǒng)或阻尼材料（見(jiàn)隔振、減振）?？刂普駝?dòng)也是降低噪聲的基本辦法。

　　噪聲控制中常遇到的聲源功率范圍非常大，這也增加了噪聲控制工作的復(fù)雜性。例如一個(gè)大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲功率可開(kāi)動(dòng)一架大型客機(jī)，而大型客機(jī)的噪聲功率可開(kāi)動(dòng)一輛卡車(chē)。工業(yè)交通事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，其關(guān)鍵之一是降低噪聲。噪聲污染是工業(yè)化的后果，而降低噪聲又是改善環(huán)境、提高人的工作效率、延長(zhǎng)機(jī)器壽命的重要措施。

建筑聲學(xué)

　　宿舍、公寓建筑的聲學(xué)問(wèn)題主要不是研究室內(nèi)音質(zhì)（因?yàn)榉块g都很小，混響時(shí)間不長(zhǎng)），而常常是研究隔聲，即要求盡量減小鄰居之間的互相干擾：如樓上走路，樓下聽(tīng)得很清楚。隔聲大小與墻壁或樓板的厚度（或單位面積的質(zhì)量）直接有關(guān)，但建筑界的傾向是向輕結(jié)構(gòu)發(fā)展，與隔聲要求正相反，這就給聲學(xué)家提出難題，勁度控制也許是解決這個(gè)矛盾的方法，但還需要做大量工作。城市噪聲控制和音質(zhì)涉及了多方面的問(wèn)題，非常復(fù)雜，許多學(xué)科的專(zhuān)家都為此做出了重要貢獻(xiàn)，但還有待更深入的進(jìn)展。

研究課題

音樂(lè)

國(guó)防

相關(guān)學(xué)科

詳細(xì)介紹

　　聲音由物體（比如樂(lè)器）的振動(dòng)而產(chǎn)生，通過(guò)空氣傳播到耳鼓，耳鼓也產(chǎn)生同率振動(dòng)。聲音的高低（pitch）取決于物體振動(dòng)的速度。物體振動(dòng)快就產(chǎn)生“高音”，振動(dòng)慢就產(chǎn)生“低音”。物體每秒鐘的振動(dòng)速率，叫做聲音的“頻率”

　　聲音的響度（loudness）取決于振動(dòng)的“振幅”。比如，用力地用琴弓拉一根小提琴弦時(shí)，這根弦就大距離地向左右兩邊擺動(dòng)，由此產(chǎn)生強(qiáng)振動(dòng)，發(fā)出一個(gè)響亮的聲音；而輕輕地用琴弓拉一根弦時(shí)，這根弦僅僅小距離左右擺動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)弱而發(fā)出一個(gè)輕柔的聲音。

　　較小的樂(lè)器產(chǎn)生的振動(dòng)較快，較大的樂(lè)器產(chǎn)生的振動(dòng)較慢。如雙簧管的發(fā)音比它同類(lèi)的大管要高。同樣的道理，小提琴的發(fā)音比大提琴高；按指的發(fā)音比空弦音高；小男孩的嗓音比成年男子的嗓音高等等。制約音高的還有其他一些因素，如振動(dòng)體的質(zhì)量和張力?？偟恼f(shuō)，較細(xì)的小提琴弦比較粗的振動(dòng)快，發(fā)音也高；一根弦的發(fā)音會(huì)隨著弦軸擰緊而音升高。

　　不同的樂(lè)器和人聲會(huì)發(fā)出各種音質(zhì)（quality）不同的聲音，這是因?yàn)閹缀跛械恼駝?dòng)都是復(fù)合的。如一根正在發(fā)音的小提琴弦不僅全長(zhǎng)振動(dòng)，各分段同時(shí)也在振動(dòng)，根據(jù)分段各自不同的長(zhǎng)度發(fā)音。這些分段振動(dòng)發(fā)出的音不易用聽(tīng)覺(jué)辨別出來(lái)，然而這些音都納入了整體音響效果。泛音列中的任何一個(gè)音（如G，D或B）的泛音的數(shù)目都是隨八度連續(xù)升高而倍增。泛音的級(jí)數(shù)還可說(shuō)明各泛音的頻率與基音頻率的比率。如大字組“G”的頻率是每秒鐘振動(dòng)96次，高音譜表上的“B”（第五泛音）的振動(dòng)次數(shù)是5*96=480，即每秒鐘振動(dòng)480次。

　　盡管這些泛音通?？梢詮膹?fù)合音中聽(tīng)到，但在某些樂(lè)器上，一些泛音可分別獲得。用特定的吹奏方法，一件銅管樂(lè)器可以發(fā)出其他泛音而不是第一泛音，或者說(shuō)基音。用手指輕觸一條弦的二分之一處，然后用弓拉弦，就會(huì)發(fā)出有特殊的清脆音色的第二泛音；在弦長(zhǎng)的三分之一處觸弦，同樣會(huì)發(fā)出第三泛音等。（在弦樂(lè)譜上泛音以音符上方的“o”記號(hào)標(biāo)記。自然泛音“natural harmonics”是從空弦上發(fā)出的泛音；人工泛音“artificial harmonics”是從加了按指的弦上發(fā)出。）

　　聲音的傳播（transmission of sound）通常通過(guò)空氣。一條弦、一個(gè)鼓面或聲帶等的振動(dòng)使附近的空氣粒子產(chǎn)生同樣的振動(dòng)，這些粒子把振動(dòng)又傳遞到其他粒子，這樣連續(xù)傳遞直到最初的能漸漸耗盡。壓力向鄰近空氣傳播的過(guò)程產(chǎn)生我們所說(shuō)的聲波（sound waves）。聲波與水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水波不同，聲波沒(méi)有朝前的運(yùn)動(dòng)，只是空氣粒子振動(dòng)并產(chǎn)生松緊交替的壓力，依次傳遞到人或動(dòng)物的耳鼓產(chǎn)生相同的影響（也就是振動(dòng)），引起我們主觀的“聲音”效果。

　　判斷不同的音高或音程，人的聽(tīng)覺(jué)遵守－條叫做“韋伯-費(fèi)希納定律”(Weber-Fechner law）的感覺(jué)法則。這條定律闡明：感覺(jué)的增加量和刺激的比率相等。音高的八度感覺(jué)是一個(gè)2:1的頻率比。對(duì)聲音響度的判斷有兩個(gè)“極限點(diǎn)”：聽(tīng)覺(jué)閥和痛覺(jué)閥。如果聲音強(qiáng)度在聽(tīng)覺(jué)閥的極限點(diǎn)認(rèn)為是1，聲音強(qiáng)度在痛覺(jué)閥的極限點(diǎn)就是1兆。按照韋伯-費(fèi)希納定律，聲學(xué)家使用的響度級(jí)是對(duì)數(shù)，基于10:1的強(qiáng)度比率，這就是我們知道的1貝（bel）。響度的感覺(jué)范圍被分成12個(gè)大單位，1貝的增加量又分成10個(gè)稱作分貝（decibel）的較小增加量，即1貝＝10分貝。1分貝的響度差別對(duì)我們的中聲區(qū)聽(tīng)覺(jué)來(lái)說(shuō)大約是人耳可感覺(jué)到的最小變化量。

　　當(dāng)我們同時(shí)聽(tīng)兩個(gè)振動(dòng)頻率相近的音時(shí)，它們的振動(dòng)必然在固定的音程中以重合形式出現(xiàn)，在感覺(jué)上音響彼此互相加強(qiáng)，這樣一次稱為一個(gè)振差（beat）。鋼琴調(diào)音師在調(diào)整某一弦的音高與另一弦一致的過(guò)程中，會(huì)聽(tīng)到振差在頻率中減少，直到隨正確的調(diào)音逐漸消失。當(dāng)振差的速率超過(guò)每秒鐘20次，就會(huì)聽(tīng)到一個(gè)輕聲的低音。

　　當(dāng)我們同時(shí)聽(tīng)兩個(gè)很響的音時(shí)，會(huì)產(chǎn)生第三個(gè)音，即合成音或引發(fā)音（combination tone或resultant tone）。這個(gè)低音相當(dāng)于兩個(gè)音振動(dòng)數(shù)的差，叫差音（difference tone）。還可以產(chǎn)生第四個(gè)音（一個(gè)弱而高的合成音），它相當(dāng)于兩個(gè)音振動(dòng)數(shù)的和，叫加成音（summation tone）。

　　同光線可以反射一樣，亦有聲反射（reflection of sound)，比如我們都聽(tīng)到過(guò)的回聲。同理，如果有阻礙物擋住了聲振動(dòng)的通行會(huì)產(chǎn)生聲影（sound shadows）。然而不同于光振動(dòng)，聲振動(dòng)傾向于圍繞阻礙物“衍射”(diffract)，并且不是任何固體都能產(chǎn)生一個(gè)完全的聲影。大多數(shù)固體都程度不等地傳遞聲振動(dòng)，而只有少數(shù)固體（如玻璃）傳遞光振動(dòng)。

　　共鳴（resonance）一詞指一物體對(duì)一個(gè)特定音的響應(yīng)，即這一物體由于那個(gè)音而振動(dòng)。如果把兩個(gè)調(diào)音相同的音叉放置在彼此靠近的地方，其中一個(gè)發(fā)聲，另一個(gè)會(huì)產(chǎn)生和應(yīng)振動(dòng)，亦發(fā)出這個(gè)音。這時(shí)首先發(fā)音的音叉就是聲音發(fā)生器（generator)，隨后和振的音叉就是共鳴器(resonator）。我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)教堂的某一窗戶對(duì)管風(fēng)琴的某個(gè)音產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)；房間里的某一金屬或玻璃物體對(duì)特定的人聲或樂(lè)器聲也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的響應(yīng)。

　　從共鳴這個(gè)詞的嚴(yán)格科學(xué)意義說(shuō)，這一現(xiàn)象是真正的共鳴（“再發(fā)聲”）。這一詞還有不太嚴(yán)格的用法。它有時(shí)指地板、墻壁及大廳頂棚對(duì)演奏或演唱的任何音而不局限于某個(gè)音的響應(yīng)。一個(gè)大廳共鳴過(guò)分或是吸音過(guò)強(qiáng)（“太干”)都會(huì)使表演者和觀眾有不適感（一個(gè)有回聲的大廳常被描述為“共鳴過(guò)分”，其實(shí)在單純的聲音反射和和應(yīng)振動(dòng)的增強(qiáng)之間有明確的區(qū)別）?；祉憰r(shí)間應(yīng)以聲音每次減弱60分貝為限（原始輻射強(qiáng)度的百萬(wàn)分之一）。

　　墻壁和頂棚的制造材料應(yīng)是既回響不過(guò)分又吸音不太強(qiáng)。聲學(xué)工程師已經(jīng)研究出建筑材料的吸音的綜合效能系數(shù)，但是吸音能力難得在音高的整體幅面統(tǒng)一貫穿進(jìn)行。只有木頭或某些聲學(xué)材料對(duì)整個(gè)頻率范圍有基本均等的吸音能力。放大器和揚(yáng)聲器可以用來(lái)（如今經(jīng)常這樣使用）克服建筑物原初設(shè)計(jì)不完善所帶來(lái)的問(wèn)題。大多數(shù)現(xiàn)代大廳建筑都可以進(jìn)行電子“調(diào)音”，并備

　　有活動(dòng)面板、活動(dòng)天棚和混響室可適應(yīng)任何類(lèi)型正在演出的音樂(lè)。

　　聲學(xué)是研究媒質(zhì)中聲波的產(chǎn)生、傳播、接收、性質(zhì)及其與其他物質(zhì)相互作用的科學(xué)。

　　聲學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)中歷史最悠久而當(dāng)前仍在前沿的一個(gè)分支學(xué)科。因而它既古老而又頗具年輕活力。

　　聲學(xué)是物理學(xué)中很早就得到發(fā)展的學(xué)科。聲音是自然界中非常普遍、直觀的現(xiàn)象，它很早就被人們所認(rèn)識(shí)，無(wú)論是中國(guó)還是古代希臘，對(duì)聲音、特別是在音律方面都有相當(dāng)?shù)难芯?。我?guó)在3400多年以前的商代對(duì)樂(lè)器的制造和樂(lè)律學(xué)就已有豐富的知識(shí)，以后在聲音的產(chǎn)生、傳播、樂(lè)器制造、樂(lè)律學(xué)以及建筑和生產(chǎn)技術(shù)中聲學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用等方面，都有許多豐富的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和卓越的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。國(guó)外對(duì)聲的研究亦開(kāi)始得很早，早在公元前500年，畢達(dá)哥拉斯就研究了音階與和聲問(wèn)題，而對(duì)聲學(xué)的系統(tǒng)研究則始于17世紀(jì)初伽利略對(duì)單擺周期和物體振動(dòng)的研究。17世紀(jì)牛頓力學(xué)形成，把聲學(xué)現(xiàn)象和機(jī)械運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，促進(jìn)了聲學(xué)的發(fā)展。聲學(xué)的基本理論早在19世紀(jì)中葉就已相當(dāng)完善，當(dāng)時(shí)許多優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家都對(duì)它作出過(guò)卓越的貢獻(xiàn)。1877年英國(guó)物理學(xué)家瑞利（Lord　John　William　Rayleigh，1842～1919）發(fā)表巨著《聲學(xué)原理》集其大成，使聲學(xué)成為物理學(xué)中一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南鄬?duì)獨(dú)立的分支學(xué)科，并由此拉開(kāi)了現(xiàn)代聲學(xué)的序幕。

　　聲學(xué)又是當(dāng)前物理學(xué)中最活躍的學(xué)科之一。聲學(xué)日益密切地同聲多種領(lǐng)域的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密聯(lián)系，形成眾多的相對(duì)獨(dú)立的分支學(xué)科，從最早形成的建筑聲學(xué)、電聲學(xué)直到目前仍在“定型”的“分子—量子聲學(xué)”、“等離子體聲學(xué)”和“地聲學(xué)”等等，目前已超過(guò)20個(gè)，并且還有新的分支在不斷產(chǎn)生。其中不僅涉及包括生命科學(xué)在內(nèi)的幾乎所有主要的基礎(chǔ)自然科學(xué)，還在相當(dāng)程度上涉及若干人文科學(xué)。這種廣泛性在物理學(xué)的其它學(xué)科中，甚至在整個(gè)自然科學(xué)中也是不多見(jiàn)的。

　　在發(fā)展初期，聲學(xué)原是為聽(tīng)覺(jué)服務(wù)的。理論上，聲學(xué)研究聲的產(chǎn)生、傳播和接收；應(yīng)用上，聲學(xué)研究如何獲得悅耳的音響效果，如何避免妨礙健康和影響工作的噪聲，如何提高樂(lè)器和電聲儀器的音質(zhì)等等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)聲波的很多特性和作用，有的對(duì)聽(tīng)覺(jué)有影響，有的雖然對(duì)聽(tīng)覺(jué)并無(wú)影響，但對(duì)科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)卻很重要，例如，利用聲的傳播特性來(lái)研究媒質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，利用聲的作用來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等等。因此，在近代聲學(xué)中，一方面為聽(tīng)覺(jué)服務(wù)的研究和應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展，另一方面也開(kāi)展了許多有關(guān)物理、化學(xué)、工程技術(shù)方面的研究和應(yīng)用。聲的概念不再局限在聽(tīng)覺(jué)范圍以內(nèi)，聲振動(dòng)和聲波有更廣泛的含義，幾乎就是機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波的同義詞了。

　　自然界從宏觀世界到微觀世界，從簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的生命運(yùn)動(dòng)，從工程技術(shù)到醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，從衣食住行到語(yǔ)言、音樂(lè)、藝術(shù)，都是現(xiàn)代聲學(xué)研究和應(yīng)用的領(lǐng)域。

聲學(xué)分支

　　從頻率上看，最早被人認(rèn)識(shí)的自然是人耳能聽(tīng)到的“可聽(tīng)聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語(yǔ)言、音樂(lè)、房間音質(zhì)、噪聲等，分別對(duì)應(yīng)于語(yǔ)言聲學(xué)、音樂(lè)聲學(xué)、房間聲學(xué)以及噪聲控制；另外還涉及人的聽(tīng)覺(jué)和生物發(fā)聲，對(duì)應(yīng)有生理聲學(xué)、心理聲學(xué)和生物聲學(xué)；還有人耳聽(tīng)不到的聲音，一是頻率高于可聽(tīng)聲上限的，即頻率超過(guò)20000Hz的聲音，有“超聲學(xué)”，頻率超過(guò)500MHz的超聲稱為“特超聲”，當(dāng)它的波長(zhǎng)約為10〈-8〉m量級(jí)時(shí)，已可與分子的大小相比擬，因而對(duì)應(yīng)的“特超聲學(xué)”也稱為“微波聲學(xué)”或“分子聲學(xué)”。超聲的頻率還可以高10〈14〉Hz。二是頻率低于可聽(tīng)聲下限的，即是頻率低于20Hz的聲音，對(duì)應(yīng)有“次聲學(xué)”，隨著次聲頻率的繼續(xù)下降，次聲波將從一般聲波變?yōu)椤奥曋亓Σā?，這時(shí)必須考慮重力場(chǎng)的作用；頻率繼續(xù)下降以至變?yōu)椤皟?nèi)重力波”，這時(shí)的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10－4Hz。需要說(shuō)明的是，從聲波的特性和作用來(lái)看，所謂20Hz和20000Hz并不是明確的分界線。例如頻率較高的可聽(tīng)聲波，已具有超聲波的某些特性和作用，因此在超聲技術(shù)的研究領(lǐng)域內(nèi)，也常包括高頻可聽(tīng)聲波的特性和作用的研究。

　　從振幅上看，有振幅足夠小的一般聲學(xué)，也可稱為“線性（化）聲學(xué)”，有大振幅的“非線性聲學(xué)”。

　　從傳聲的媒質(zhì)上看，有以空氣為媒質(zhì)的“空氣聲學(xué)”；還有“大氣聲學(xué)”，它與空氣聲學(xué)不同的是，它主要研究大范圍內(nèi)開(kāi)闊大氣中的聲現(xiàn)象；有以海水和地殼為媒質(zhì)的“水聲學(xué)”和“地聲學(xué)”；在物質(zhì)第四態(tài)的等離子體中，同樣存在聲現(xiàn)象，為此，一門(mén)尚未成型的新分支“等離子體聲學(xué)”正應(yīng)運(yùn)而生。

　　從聲與其它運(yùn)動(dòng)形式的關(guān)系來(lái)看，還有“電聲學(xué)”等等。

　　聲學(xué)的分支雖然很多，但它們都是研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的，這是它們的共性。只不過(guò)是與不同的領(lǐng)域相結(jié)合，研究不同的頻率、不同的強(qiáng)度、不同的媒質(zhì)，適用于不同的范圍，這就是它們的特殊性。