物理學中關於聲學的專題分析

聲學是研究媒質中聲波的產生、傳播、接收、性質及其與其他物質相互作用的科學。

聲學是經典物理學中歷史最悠久而當前仍在前沿的一個分支學科。因而它既古老而又頗具年輕活力。

聲學是物理學中很早就得到發展的學科。聲音是自然界中非常普遍、直觀的現象，它很早就被人們所認識，無論是中國還是古代希臘，對聲音、特別是在音律方面都有相當的研究。我國在3400多年以前的商代對樂器的製造和樂律學就已有豐富的知識，以後在聲音的產生、傳播、樂器製造、樂律學以及建築和生產技術中聲學效應的應用等方面，都有許多豐富的經驗總結和卓越的發現和發明。國外對聲的研究亦開始得很早，早在公元前500年，畢達哥拉斯就研究了音階與和聲問題，而對聲學的系統研究則始於17世紀初伽利略對單擺週期和物體振動的研究。17世紀牛頓力學形成，把聲學現象和機械運動統一起來，促進了聲學的發展。聲學的基本理論早在19世紀中葉就已相當完善，當時許多優秀的數學家、物理學家都對它作出過卓越的貢獻。1877年英國物理學家瑞利（Lord John William Rayleigh，1842～1919）發表鉅著《聲學原理》集其大成，使聲學成為物理學中一門嚴謹的相對獨立的分支學科，並由此拉開了現代聲學的序幕。

聲學又是當前物理學中最活躍的學科之一。聲學日益密切地同聲多種領域的現代科學技術緊密聯繫，形成眾多的相對獨立的分支學科，從最早形成的建築聲學、電聲學直到目前仍在“定型”的“分子—量子聲學”、“等離子體聲學”和“地聲學”等等，目前已超過20個，並且還有新的分支在不斷產生。其中不僅涉及包括生命科學在內的幾乎所有主要的基礎自然科學，還在相當程度上涉及若干人文科學。這種廣泛性在物理學的其它學科中，甚至在整個自然科學中也是不多見的。

在發展初期，聲學原是為聽覺服務的。理論上，聲學研究聲的產生、傳播和接收；應用上，聲學研究如何獲得悦耳的音響效果，如何避免妨礙健康和影響工作的噪聲，如何提高樂器和電聲儀器的音質等等。隨着科學技術的發展，人們發現聲波的很多特性和作用，有的對聽覺有影響，有的雖然對聽覺並無影響，但對科學研究和生產技術卻很重要，例如，利用聲的傳播特性來研究媒質的微觀結構，利用聲的作用來促進化學反應等等。因此，在近代聲學中，一方面為聽覺服務的研究和應用得到了進一步的發展，另一方面也開展了許多有關物理、化學、工程技術方面的研究和應用。聲的概念不再侷限在聽覺範圍以內，聲振動和聲波有更廣泛的含義，幾乎就是機械振動和機械波的同義詞了。

自然界從宏觀世界到微觀世界，從簡單的機械運動到複雜的生命運動，從工程技術到醫學、生物學，從衣食住行到語言、音樂、藝術，都是現代聲學研究和應用的領域。

聲學的分支可以歸納為如下幾個方面：

從頻率上看，最早被人認識的自然是人耳能聽到的“可聽聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語言、音樂、房間音質、噪聲等，分別對應於語言聲學、音樂聲學、房間聲學以及噪聲控制；另外還涉及人的聽覺和生物發聲，對應有生理聲學、心理聲學和生物聲學；還有人耳聽不到的聲音，一是頻率高於可聽聲上限的，即頻率超過20000Hz的聲音，有“超聲學”，頻率超過500MHz的超聲稱為“特超聲”，其對應的波長約為10－８m量級，已可與分子大小相比擬，因而對應的.“特超聲學”也稱為“微波聲學”或“分子聲學”。超聲的頻率還可以高1014Hz。二是頻率低於可聽聲下限的，即是頻率低於20Hz的聲音，對應有“次聲學”，隨着次聲頻率的繼續下降，次聲波將從一般聲波變為“聲重力波”，這時必須考慮重力場的作用；頻率繼續下降以至變為“內重力波”，這時的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10－4Hz。需要説明的是，從聲波的特性和作用來看，所謂20Hz和20000Hz並不是明確的分界線。例如頻率較高的可聽聲波，已具有超聲波的某些特性和作用，因此在超聲技術的研究領域內，也常包括高頻可聽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，也可稱為“線性（化）聲學”，有大振幅的“非線性聲學”。

從傳聲的媒質上看，有以空氣為媒質的“空氣聲學”；還有“大氣聲學”，它與空氣聲學不同的是，它主要研究大範圍內開闊大氣中的聲現象；有以海水和地殼為媒質的“水聲學”和“地聲學”；在物質第四態的等離子體中，同樣存在聲現象，為此，一門尚未成型的新分支“等離子體聲學”正應運而生。

從聲與其它運動形式的關係來看，還有“電聲學”等等。

聲學的分支雖然很多，但它們都是研究聲波的產生、傳播、接收和效應的，這是它們的共性。只不過是與不同的領域相結合，研究不同的頻率、不同的強度、不同的媒質，適用於不同的範圍，這就是它們的特殊性。