无法阻挡的发“声”与传播

无法阻挡的发“声”与传播

方正三中 郑晓东

　　一.声学的发展简史

　　声音是人类最早研究的物理现象之一，世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律;伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就是把管(笛、箫) 加长1/3或减短1/3，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦做基础。

　　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做过贡献。 声的传播问题很早就受到了注意，早在2 000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℃的空气中声速 332m/s 。1827年瑞士物理学家克拉顿(Daniel Colladon，1802—1893)和法国数学家斯特姆(Charles sturm，1803—1855)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。 除了基本的声产生与传播理论的研究外，声学还发展了许多分支学科。

　　人耳能听到的最低声强约为10-12W/m2 ，在1 000Hz 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(G.S.Ohm ，1787 — 1854)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 ) ，但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。但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。

　　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。1900年赛宾提出了他的混响公式，标志着建筑声学成为真正的科学。

　　1877年，瑞利(Lord Rayleigh ，1842—1919)出版了两卷《声学原理》，书中集19世纪及之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。

　　在第二次世界大战中，人们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，从而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展，非线性声学受到普遍重视。此外还有音乐声学、生物声学等，多个分支学科的发展逐渐形成了完整的现代声学体系。

　　二.我国古代的声学研究

　　我国是世界上的文明古国。根据对现存的有关古书及文物的考证可以看出，我国古代有关声学方面的知识是从制造、使用乐器开始的。早在公元前 11 世纪的商代，我国已能制造石磬 (音qìng) 和成套的铜铙 (音náo) 等乐器。经过对河南安阳大司空村出土的商代后期铜铙的研究，可以推测当时已具有现代十二音律中的九律，并已有了五度谐音的概念。

　　根据《汉书·律历志》记载，在西周后期 (公元前11世纪) 已用各种质料制作乐器，提出所谓“八音”，即

　　土曰埙 匏曰笙 皮曰鼓 竹曰管

　　丝曰弦 石曰磬 金曰钟 木曰祝

　　中国是世界上制造乐器最早的国家。编钟是我国古代的一种重要乐器。1978年在湖北随县(今随州市)出土战国时代曾侯乙编钟，附有钟架、配件，精美罕见。墓葬时间为公元前433年。全部3层，64件，总重超过2500kg。这套编钟总音域跨五个八度，可以演奏出完整无缺的半音阶。

　　公元前4—3世纪间成书的《墨经》中有大量的有关声学方面的记载。其中有一段关于利用挖地井埋缸听测地声的记录。这种方法，现代仍在使用。

　　我国东汉时期的思想家王充 (约公元27—79)

　　在《论衡》中曾有关于喉舌鼓动空气而发声的叙述。到了明朝，著名学者宋应星明确提出声波的概念。他在《论气·气声篇》中指出“气体浑沦之物……冲之有声焉，飞矢是也;振之有声焉，弹弦是也”。 明朝朱载堉 (1536—1611) 发明了音律中的十二平均律。他的《律学新说》发表于1584年，比欧洲最早提出十二平均律的梅尔生早52年。朱载堉在计算时，小数点后精确到第25位。他的工作受到德国物理学家亥姆霍兹的高度评价。可惜，由于封建社会的局限，朱的十二平均律被认为是异端邪说而被扼杀了。

　　在我国，一些古建筑中还有一些巧妙地利用声音反射、共鸣特性的。其中最著名的就是北京天坛的回音壁、三音石、圜丘。此外还有山西永济县的莺莺塔。

　　三.人是怎么发声的

　　人的发声系统如图所示。在说话或唱歌时，人迫使空气从肺向上通过喉部，喉部有两块折叠的组织叫声带，这些受到挤压的空气冲过声带并使之产生振动，当声带合拢时，中间的空气被压缩;声带分开时，中间的空气又变稀薄，使空气产生了疏部和密部，就像鼓面振动使空气产生疏部和密部一样，这一空气的振动通过口腔向外传播，于是就发出了声音。

　　四.人耳

　　耳朵是人体结构中非常精致的一部分，因为有了耳朵，我们才能听到声音。除了听声以外，耳朵还是身体的一个平衡器。

　　耳朵的结构分为外耳、中耳和内耳三部分。

　　外耳包括耳廓、外耳声道。耳廓像个喇叭，可以把声音集中到外耳声道，再传到鼓膜，激发鼓膜振动。鼓膜是一张仅有1/10毫米厚的薄膜。中耳内有三块听骨，这三块骨头连接鼓膜和耳蜗并起杠杆作用，可以使鼓膜上的微小振动放大10～18倍传入内耳。内耳包括三条可控制身体平衡的半规管和声音的最后接收器——耳蜗。耳蜗是一个螺旋管，长约35毫米，形如蜗牛壳，其内充满透明的液体，液体中有一簇细纤毛，纤毛底部是大量感觉灵敏的毛细胞，并与脑神经细胞相连。

　　由外耳接收的声波，撞击耳膜，耳膜的振动通过听小骨使耳蜗里的液体出现液波。液波推动纤毛，像风吹杨柳那样。纤毛的拂动使相应的毛细胞产生易被大脑识别为声音的电信号。大脑把接收到的电信号进行处理，使人们能区分许许多多的声音，并知晓声音所表达的意思，随之产生相应反应，这就是人听到声音的基本原理。

　　内耳的半规管内同样有液体和浸在液体中的纤毛。当人头晃动时，液体便会晃动，纤毛也随之摆动，与纤毛相连的神经细胞会通知大脑来保持身体平衡。

　　人耳如何听到声音是一个很复杂的问题。美籍匈牙利科学家冯·贝凯西 (Von Bekesy ，1899—1972)

　　从20世纪30年代开始研究听觉，依靠他高超的动手能力和锲而不舍的精神，发现了关于耳蜗工作的物理机理，揭开了人耳接收声音的秘密，获得了1961年的诺贝尔医学奖。

　　到目前为止，听觉的问题还不能说完全解决，还要靠一代一代人的不断努力。声音是如此奇妙，失去听觉，就会给你的生活带来极大的痛苦。小心呵护你的耳朵，关爱你的听觉健康吧!

　　五.声速

　　声速取决于介质的弹性、密度和温度。

　　由于声波是声源的振动通过介质进行的传播，因此声的传播速度取决于介质粒子在受到声源振动的扰动后弹回的快慢。如果一种介质弹性很好，它的粒子很容易恢复原状，声波在这种介质中就传播得快。一般来说固体材料比液体或气体的弹性好，因此声波在固体中传播得最快，而气体弹性较差，因而是声的不良传播介质。

　　声速还取决于介质的密度，在同种物质的不同形态中声速是不同的，声音在密度较大的介质中传播较慢。这主要是由于高密度物质的粒子运动不如低密度物质的粒子快，比如声在铅或银等高密度金属中传播速度比在铁、钢等低密度的金属中慢。

　　在给定的介质中，声在较低的温度下传播得较慢，在较高的温度下，传播得较快。这是因为温度越低，介质粒子运动越缓慢，因此粒子恢复原状也就越慢，声传播速度也就越小。在20℃空气中声速约为340m/s，在0℃约为331m/s。

　　从理论上得出空气中的声波的传输速度为 式中γ是空气的比热容，M是空气的摩尔质量，T是空气的绝对温度。