初中物理專題分析—聲學(xué)及其特點(diǎn)

　　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)的分支可以歸納為如下幾個(gè)方面：

 

　　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”，其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為10－８m量級(jí)，已可與分子大小相比擬，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1014Hz。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)?ldquo;聲重力波”，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)?ldquo;內(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。