主题：声学的发展历程

声学是力学的一个分支，但在早期它几乎是独立发展的。自从毕达哥拉斯以来，声学研究方面一直没有什么重大的进展。直到十七世纪初叶，伽利略才作出了第一个决定性的推动。在1638年出版的《两门新科学》中伽利略指出，音调的高低是由它的振动频率决定的；振动频率的比例关系是两个音的相对高度的原因。他还认识到弦的振动频度与弦的长度、张力和质量有关。

几乎与伽利略同时，默森在他的《普通声学》中指出：弦的振动频度和弦的张力的平方根成反比，而和弦的长度以及单位长度上的质量的平方根成反比，默森第一个测定了振动的绝对频度，而伽利略认为绝对频率的测量是不可能的。默森还认识到，弦线除了产生频率为n的基音之外，还同时产生频率为3n和5n的两个与基音谐和的泛音。

默森关于基音与泛音的观察，被瓦利斯的两个学生诺布尔和皮果特所确证。他们将纸游码放在振动弦上不同的地方后发现，弦不仅作总体的振动，而且还有二分之一、三分之一等等的振动。法国物理学家索维尔也独立地发现了弦的泛音。索维尔口吃，而且也不善于用耳朵辩别音调，然而他在1700至1703年间所发表的论文，却对声学作出了重要贡献。他同样用纸游码确定了振动弦上波节和波腹的位置。他对共鸣进行了观察，解释了拍现象，他用两个比率为24:25的风琴管测了每秒四拍，从而断定高音管的频率为每秒一百次。他还利用齿轮和原始形式的汽笛，进行了频率测量。默森也是测定空气中的声音传播速度的第一个人。他具体测出了在已知距离内所看到的火枪的闪光和所听到的声音之间的时间差，从而得出了空气中的声速为每秒1380英尺。伽桑狄用火枪和手枪测出声速为每秒1473 巴黎尺，他证明了亚里士多德学派善于声速决定于它的声源和音调的论断是错误的。巴黎科学院的Ｄ·卡西尼、罗默、惠更斯等测定声速为每秒1172巴黎尺，比较接近于真实值。格里凯用实验证明声和光不同，它不能在抽成真空的容器内传播。

关于声音在空气中的传播速度，牛顿在他的《原理》的第二编中，进行了理论上的研究。他得出声速正比于“张力”的平方根，反比于“介质密度”的平方根。他用这个公式计算出空气中的声速为每秒979英尺，而实验测定值为每秒1142英尺。牛顿对这个偏差所作的解释没有获得成功，正确的解释是一个世纪之后由拉普拉斯给出的。拉普拉斯指出，在声振动的传播过程中，空气由于快速交替的压缩和衡疏，空气的温度也时升时降，从而增大了空气的弹性，所以空气中的声速要增大一个数值，所以牛顿的公式需要进行修正。

　　在十九世纪以前，声学主要是由音乐家和数学家的研究对象。从19世纪开始，声学开始成为物理学家的一个研究分支。德国声学家克拉尼的杰出工作，使声学走上实验物理研究的道路。克拉尼的父亲是个法律教授，所以也培养他学习法律，但是克拉尼更爱好音乐和自然科学。为了学习音乐而阅读了有关声学的论著后，他便把精力集中于声学的研究中。

克拉尼不仅研究了弦的横振动，而且在1799年发现了竿的纵振动。他把玻璃棒固定，用撒上金刚砂的手绢沿纵向摩擦玻璃管。发现在玻璃管的中间位置摩擦时发出的声音最高，他根据这个实验发明了几种新的乐器。
克拉尼把竿的纵向振动的研究应用于测定固体中的声速。他发现声音在固体中的传播速度远大于在空气中的传播速度，比如在一般的金属中，声速比在空气中要大十倍以上。

声音在金属中的精确传播速度，是二、三十年后由法国物理学家毕奥测定的。毕奥用一根连接很长的铸铁筒进行测定，在一端敲击铁筒，声音就通过金属和空气传播到另一端，测出两者的时间差，就可以计算出声音在金属中的传播速度。他测出声音在铁中的传播速度约为每秒3500米。克拉尼研究了声音在各种气体中的传播速度，他发现声音在氢气中传播就象在抽成低压的容器中传播那样较弱，而在氧气和二氧化碳气中传播则比在空气中的更强。1787年，克拉尼在研究板的振动时，将细砂撒在平板上，当平板以一定方式振动和发出一定的声音时，砂子就在振动板的波节线上聚集起来形成规则的图形。这就是后来用来表示声音特征的克拉尼图。1802年，克拉尼将他有关声学的研究成果汇编成《声学》一书出版。在1808到1810年克拉尼间居住在巴黎，他所发现的的声图获得了拉普拉斯等学者的赞赏，并被引荐给拿破仑，他在拿破仑面前用实验显现出“克拉尼图”。后来拿破仑曾说“克拉尼的声音被我看见了”。他奖励了克拉尼六千法郎，要求将他的《声学》翻译成法文。1817年克拉尼又指出了人的听觉所能听到的声音的最高频率为每秒二万二千次。

长期以来关于声波在液体中能否传播的问题一直没有得到解决，由于认为液体是不可压缩的，因而人们对声波在液体中传播的可能性产生怀疑。虽然也有人曾指出水是具有弹性和可压缩的，但并未受到人们的注意。

1822年奥斯特以精确的实验确证了水的可压缩性，他测出当压力增加一个大气压时液体的体积减少了百万分之四十七。1827年，日内瓦的柯莱顿和斯特姆得到了稍大的压缩值，为百万分之五十一。他们两人在日内瓦湖的两个小岛之间进行了测定水中的声速的实验：把一个铃放到水下用锤敲响，在另一个地点用一个浸到水中的特制的耳状喇叭 进行接收，从而测出水中的声速为每秒1435米。

在十九世纪初，托马斯·杨象在光学中一样，也发现和解释了声学的干涉现象。Ｗ·韦伯和Ｈ·韦伯兄弟两人研究了一般的波动理论，并于１８２５出版了《波动论》一书。这样，物理声学逐渐成为弹性波理论的一个部分。１８４２年奥地利的多普勒从波动理论得出了这样的结论：当光源和观察者互相接近时，观察到的振动频率增加；当两者相互远离时，观察到的振动频率则减少。１８４５年，布伊期－巴洛特在铁路边证明了这个论断适用于声波。当火车从远方驰来时汽笛声调变高，而当火车向远方驰去时汽笛声调变低。

德国物理学家欧姆和赫尔姆霍茨的工作，揭开了物理声学的新的篇章。欧姆在１８４３年确认，一个正弦谐波不再能被人耳所分解，只能作为一个单音被感觉；而任何其他形式的空气振动，都能被分解成正弦谐波分量，这些谐波中的每频率成份只要有足够的强度，就可以被耳朵分别地听出。这使傅立叶原来是为处理热传导总是而创造的傅立叶分析这一数学方法和听觉的生理功能对应起来。傅立叶分析方法指出，可以把任意函数分解为频率是连续的整数的纯正弦振荡之和。欧姆的发现则指出，耳朵对空气振动完成了傅立叶分析。

１８６３年，赫尔姆霍茨在他的名著《声音的感觉的理论》中完善了这一理论。他认为，乐音是由空气的周期振荡引起的，可以从音强、音调和音色三方面来分析乐音。他指出，几乎所有的乐音都有泛音，基音和泛音数以及它们的相对强度的组合情况决定了音色。比如，只有奇数泛音存在时，音色是空的；当基音起主要作用时，音色是嘹亮的；当基音在强度上不足以压倒泛音时，音色是不佳的。

赫尔姆霍茨设计了球形谐振器，用这个装置分析和测定了复合音（如人的声音和一般乐音）中的纯谐音。他也成功地用电磁仪器调音叉进行了具有一定音色的几个纯谐音的合成，特别是准确地模仿了人音的元音。

为什么纯音会给人以愉快的感觉？欧姆揣度说这是因为人类的灵魂偏爱简单计算。赫尔姆霍茨从“拍”的研究中得出了确切的解答。他发现，两个单音形成的拍频如果是每秒三十三次，则产生难以忍受的不谐和音；拍频小于或大于这个数时就稍好一些；当拍频超过每秒一百三十二次时，不愉快的感觉则完全消失。当一个声音有诸多泛音时，它的基音和泛音之间的拍以及各个泛音之间的拍都会影响混合音的谐和情况。他运用这套理论解释了为什么具有较简单的比例的音调混合起来会产生更加令人愉快的和声。赫尔姆霍茨的工作开辟了现代生理声学的领域，并奠定了现代物理声学的基础。

德国人赖斯在１８６１年、美国人贝尔在１８７５年分别发明了电话，１８７８年又经休斯采用碳精粉改进了话筒。电话的产生对声学提出了如何最完全地再现人的嗓音和音乐的声调的技术问题。１８７８年爱迪生发明了留声机。第一次世界大战中，物理学界又获得了通过无线电磁波传递声音的重大成果。这充分表明了声音的记录和再现技术所取得的巨大进步。

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