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第一章绪论1.1声学的发展历史1.1.1经典声学史1.声音的产生声波主要是物体振动产生的。以科学的方法开始研究物体振动及其所发声音的是伟大的17世纪科学家伽利略[3]。他从1638年起，深入研究了单弦振动和发声的关系；他提出了频率的概念（当时称之为振动数)，研究了同样调谐的弦间共振现象，取名为同情振动，与我国古时沈括称为应声极为相似：他还得到了音调与弦长有关的结论。在伽利略以后，不少人对弦的振动作了大量的工作。1660年，发现了物理学中著名的弹性定律的胡克试图取图1.2伽利略(Galileo得音调与频率之间的联系，发明了现在常用的教学示范的用Galilei,1564-1642)齿轮在纸边转过以定频率高低的办法。对音调和频率的关系作彻底研究的是法国科学家索沃，他还发现了拍音，并提出了“Acoustics”的名词（中文“声学”是11世纪北宋的沈括提出的)。著名的无穷级数发明者泰勒（英国数学家）于1713年第一次求得了弦振动的初步严格解，只有基频，这也是牛顿运动方程F=ma第一次用于连续介质中质点的运动，他由于缺乏偏微分方程的工具，所以不能得到弦的全解。后者是如实的伯努力，法国的达朗贝尔和瑞士的欧拉求得的。从1638年到1785年，单弦振动的问题用了150年才解决，原因就在于缺乏数学工具。牛顿和莱布尼茨的微积分都不足以解决连续介质中的问题。有了偏微分方程，不但解决了弦的理论问题，固图1.1泰勒(Brook体震动问题也解决了。胡克与1675年发表的胡克应变与应力成Taylor,1685-1731)正比的弹性定律对此非常重要。在研究弦的振动时，18世纪的数学家不能接受许多频率的振动可以叠加的概念。1822年发表的傅立叶级数解决了这声学基础个问题其意义极为深远。1787年，德国科学家克拉尼发表了用沙显示振动分布的克拉尼图形成为研究固体振动的重要实验手段。1759年，拉格朗日（意大利科学家）研究了风琴管和其他管乐器的发声，1734一1735年，欧拉和伯努力研究了棒的振动，后来瑞利把他们的方法改造，得到四阶偏微分方程，发表于他的《声的理论》中。板的振动比较难解，早在1784年，克拉尼发表他的图形时，就把沙撒到振动着的板上显示其波节，观者都赞叹其美丽多变，但板的振动的解决一直等到1850年基尔霍夫才求得严格解。d'Alembert par La Tour解决了飞机机身以及壳体和板的问题仍是当代技术的需图1.3达朗贝尔(d'Alembert,1717-1783)要。膜的振动的研究工作一般归于泊松。磁致伸缩是1842年焦耳发现的，压电现象是1888年居里兄弟发现的，但是19世纪没有人把这些耦合到振荡电路以形成声源和接收器，而振荡电路在19世纪中叶已经存在。19世纪有标准频率的声音只有音叉。人的发声系统很晚才受到物理学家的注意。英国惠斯通（阻抗电桥的发明者）提图1.4研究板振动的克拉尼出发原音的谐音理论。他说声(Chladni)带振动发出基音和大量的谐音，气流带其经过口腔时，被震动加强。另一理论是1829年英国维李斯提出的，认为是气流通过声带成为一股一股的喷气，喷气进入口腔激发其共振而成声。亥姆霍兹在其于1862年发表的伟大的声学著作《音的感知》中用他的共鸣器对此做了透彻的研究，并且判断两种发声理论各有其合理处，这以为后来的工作所证明。2.声音的传播古代欧洲对光和热的本质有着长时间的辩论，粒子论图1.5研究膜振动的泊松和波动论不相上下。但对于声，东方和西方都趋向于波动(S.D.Poisson的见解。并且常用水波类比，特别在中国，六千年前的器1781-1848)下载高清无水印第一章绪论物就以水纹作为装饰，一直很少异意。古希腊哲学家亚里士多德（公元前384-前332）只在他的书《灵魂论》(DeAnima)中讨论过声的产生，传播和反射，也谈到语言，他似乎了解声和空气的运动有关，无确切的声波概念，也没有说声是粒子。欧洲一般就把亚里士多德当作波动理论的创始人[4]。罗马建筑工程师维特鲁维阿斯大约在公元前25年前后表明已确切掌握了声的波动性质，并提出了建筑声学和剧院音质的最早见解。但是在科学史中常有因解释不同而导致的原则性的不同见解，在声波方面，亚里士多德等是否确实掌握了图1.6拉普拉斯(Laplace,声在空气中传播不是空气整1749-1827)体在传播方向上的运动（气流)，无法确定。由于声音传播中确实看不到空气的运动，无怪后来的哲学家有人根本否定亚里士多德和维特鲁阿斯的观点。知道伽利略的年代，还有一位法国哲学家伽桑第把声音传播归之于发生体发出的一串非常小看不见的粒子，这些粒子穿过空气后，以某种方式影响人的听觉。所以，声的波动性质在欧洲不是顺利的一致通过的，直到17图1.7亚里士多德(Aristotle,世纪，封格立克，还怀疑声是否由空气运动传播的，因为公元前384-前332)声音是在静止空气中传播得要比有风时的好。长距离声速测试取得成功后，疑问才减少。在这以前，声音传播需要时间，这是很早之前就认识了的，但古人没有声速的概念，也没有声速的研究或者测量。同样，语音，乐器，乐律，共振等都离不开频率，但东西方古时都没有频率的概念。这些都有待于近代科学的发展。近代科学的开创者是意大利的著名的伽利略。除了别的工作以外，他在17世纪初作了单摆与弦的振动发声特性，强调了频率的特性，它的著作“有关两门科学的对话”是公元1638年刊出的。1635年，法国伽桑地用枪声做了声速的测量，假设发枪的火花传播不需要时间，得到的结果是478.4m/s。法国梅森认为认为他的结果太高了，对枪声测试做了认真的图1.8欧拉(Euler,1707-1783)