分类:声学

声学

外文名	Acoustics
所属学科	物理学
研究对象	声波（产生、传播、接收、效应及应用）
核心要素	音调、响度、音色

声学（Acoustics）是物理学的一个重要分支，专门研究声波（机械波）的产生、传播、接收、效应及其在各种介质中的应用。作为最古老的物理学分支之一，声学不仅涵盖了从次声波到超声波的广阔频率范围，还深度交叉于工程、医学、生物、环境及信息技术等多个领域。

人类对声音的探索贯穿了整个科学史，声学的发展大致经历了以下几个阶段：

• 古代经验积累：早在商代（公元前17～12世纪），中国的编磬就已具备接近自然律的乐律，比古希腊毕达哥拉斯利用弦提出自然律早了一千多年。
• 经典声学时期：17世纪，伽利略发现了单摆的等时性，并研究了弦的振动频率；牛顿推导了声速公式。19世纪，瑞利勋爵（Lord Rayleigh）出版了经典著作《声学理论》，奠定了现代声学的数学基础。
• 现代声学时期：20世纪以来，随着电子技术和信号处理的发展，声学迅速扩展到超声学、水声学、电声学等领域，成为一门高度交叉的现代学科。

声波是由物体振动产生的机械波，其传播需要介质（如气体、液体、固体），真空不能传声。描述声音的核心物理量包括：

• 音调 (Pitch)：指声音的高低，由发声体振动的频率（单位：赫兹 Hz）决定。频率越高，音调越高。
• 响度 (Loudness)：指人耳感觉到的声音强弱，主要由发声体振动的振幅决定。响度通常用分贝（dB）来表示。
• 音色 (Timbre)：指声音的特色或品质，由发声体的材料、结构及泛音组成决定，是区分不同乐器或人声的重要依据。

根据频率的不同，声波可分为三类：

类型	频率范围	特性与应用
次声波	< 20 Hz	传播距离极远，易绕过障碍物。常用于预测地震、海啸、台风及监测核爆炸。
可听声波	20 Hz ~ 20 kHz	人耳能听到的声音范围。语音交流、音乐欣赏等均在此频段。
超声波	> 20 kHz	方向性好、穿透能力强、能量集中。广泛应用于B超成像、工业探伤、声呐测距及超声清洗。

随着研究的深入，声学已经发展出众多分支学科，涵盖了从微观粒子到宏观环境的各个层面：

研究声学最基本的物理问题，包括声波的波动方程、非线性声学、量子声学以及声超构材料等前沿领域。

研究声波在水下的传播规律及其应用。由于电磁波在水中衰减极快，声波成为水下探测、通信和导航（如声呐技术）的主要手段。

研究超声波的产生、传播、接收及其物理效应。在医学诊断（如彩超）、工业无损检测、超声清洗和超声碎石等方面应用极为广泛。

研究建筑物内部的声学环境，包括厅堂音质设计（如音乐厅的混响控制）和建筑隔声降噪（如剧院、录音棚的隔音处理）。

研究噪声的产生机理、传播规律及控制方法。旨在通过吸声、隔声、消声和减振等技术，降低工业生产、交通运输及社会生活噪声对环境的污染。

• 生理声学：研究人耳的听觉生理机制、听力保护及助听设备。
• 心理声学：研究人对声音的主观感知（如响度感、音调感、掩蔽效应等），是音频压缩技术（如MP3）的理论基础。

研究人类语音的产生机理、声学特性及识别合成。广泛应用于智能语音助手、机器翻译和语音通信等领域。

从环境保护的角度来看，凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音，以及对人们要听的声音产生干扰的声音，统称为噪声。

根据中国《噪声污染防治法》，环境噪声主要按来源分为四类：

• 工业噪声：工厂中使用固定设备（如织布机、碎石机、通风机）产生的干扰声音。
• 建筑施工噪声：施工现场的挖掘、搅拌、运输等产生的声音。
• 交通运输噪声：汽车、火车、飞机、船舶等交通工具运行时产生的声音。
• 社会生活噪声：商业活动、家庭娱乐、宠物叫声等人为活动产生的声音。

噪声的控制通常从三个环节入手：在声源处减弱（如加装消声器）、在传播过程中减弱（如设置隔音屏障、植树造林）、在人耳处减弱（如佩戴防噪耳塞）。

现代声学技术已深度融入国家重大工程与日常生活：

• 深海探测与通信：自主研制的“奋斗者”号声学系统，实现了万米深海下的高速数字水声通信；合成孔径声呐成功应用于国际水下考古。
• 智能语音技术：基于先进的语音前端处理技术，智能家电、车载系统能够精准识别并理解人类语言指令。
• 微机电声学：声表面波、薄膜体声波等微纳声学器件，是现代智能手机射频滤波器和传感器的核心组件。
• 计算声学：利用计算机模拟复杂声场环境，为汽车NVH（噪声、振动与声振粗糙度）优化、城市噪声地图绘制提供科学依据。

• 声波
• 波动学
• 超声波
• 噪声污染
• 分贝