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声学

科普小知识2022-02-05 01:30:19
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声学是一门跨层次的基础性学科,研究从微观到宏观、从次声(长波)到特超声(短波)的一切形式的线性与非线性声波(机械)现象。同时,现代声学具有极强的交叉性与延伸性,它与现代科学技术的大部分学科发生了交叉,形成了一系列诸如医学超声学、生物声学、海洋声学、环境声学等新型独特的交叉学科方向,在现代科学技术中起着举足轻重的作用。现代声学更是一门具有广泛应用性的学科,对当代科学技术的发展、社会经济的进步、国防事业的现代化、以及人民物质与精神生活的改善与提高中发挥着极其重要、甚至不可替代的作用。

1、发展历史


声学

声音是人类最早研究的物理现象之一,声学是物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的唯一分支学科。从上古起直到19世纪,都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说:“情发于声,声成文谓之音”,“音和乃成乐”。声、音、乐三者不同,但都指可以听到的现象。同时又说“凡响曰声”,声引起的感觉(声觉)是响,但也称为声,与现代对声的定义相同。西方也是如此,acoustics的词源是希腊文akoustikos,意思是“听觉”。世界上最早的声学研究工作在音乐方面。

《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)加长三分之一或减短三分之一,听起来都很和谐,这是最早的声学定律。传说希腊时代,毕达哥拉斯也提出了相似的自然律(但是用弦作基础)。中国1957年河南信阳出土的“帠佀”蟠螭文编钟是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律,音色清纯,可以用来演奏现代音乐,这是中国古代声学成就的证明。在以后的2000多年中,对乐律的研究有不少进展。

明朝朱载堉于1584年提出的平均律,与当代西方乐器制造中使用的乐律完全相同,但比西方早提出300年。古代除了对声传播方式的认识外,对声本质的认识与今天的完全相同。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。这种认识现在看起来很简单,但是从古代人们的知识水平来看,却很了不起。例如,很长时期内古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的认识,一直到牛顿的时代对光还有粒子说和波动说的争执,而粒子说取得优势。至于热,“热质”说的影响时间则更长,直到19世纪后期,F.恩格斯还对它进行过批判。

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,几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体振动和声的产生原理作过贡献。声的传播问题则更早就受到注意,几乎2000年前中国和西方都有人把声与水面波纹相类比。1635年就有人用远地枪声测声速,假设闪光传播不需时间。以后方法不断改进,到1738年巴黎科学院用炮声测量,测得结果折合到0°C时,声速为332m/s,与最准确的数值331.45m/s只差1.5‰,这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下的确是了不起的成绩。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中根据推理:振动物体要推动邻近媒质,后者又推动它的邻近媒质,等等,经过复杂而难懂的推导求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。L.欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法,求得牛顿的结果。但是由此算出的声速只有288m/s,与实验值相差很大。J.L.R.达朗伯于1747年首次导出弦的波动方程,并预言可用于声波。直到1816年,P.S.M.拉普拉斯指出只有在声波传播中空气温度不变时牛顿的推导才正确,而实际上在声波传播中空气密度变化很快,不可能是等温过程,而应该是绝热过程,因此,声速的二次方应是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容的比)γ与密度之比。据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。

直到19世纪末,接收声波的仪器只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10-6W/m2(声压20μPa),在1000Hz时,相应的空气质点振动位移大约是10pm(=10-11m),只有空气分子直径的十分之一,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,但至今还未能形成完整的听觉理论。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。音调与频率的关系明确后,对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究。发现著名的电路定律的G.S.欧姆于1843年提出人耳可把复杂的声音分解为谐波分量,并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下,开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学),并取得重要的成果,其中最有名的是H.von亥姆霍兹的《音的感知》。在关闭空间(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。但直到1900年W.C.赛宾得到他的混响公式,才使建筑声学成为真正的科学。

19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果的最后总结者是瑞利,他在1877年出版的两卷《声学原理》中集经典声学的大成,开现代声学的先河。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,已发展为电声学。在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,开始把超声广泛地用到水下,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事业的巨大发展出现了噪声环境污染问题,而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展高速大功率机械应用日益广泛。非线性声学受到普遍重视。此外还有音乐声学、生物声学。这样,逐渐形成了完整的现代声学体系。

2、专业解析


声学

声学是物理学的一个二级学科,是研究媒质中机械波(即声波)的科学,研究范围包括声波的产生,接受,转换和声波的各种效应。同时声学测量技术是一种重要的测量技术,有着广泛的应用。最简单的声学就是声音的产生和传播,这也是声学研究的基础。

声音是由物体振动产生的。声音的传播需要介质,它可在气体、液体和固体中传播,但真空不能传声。声音在不同物质中的传播速度也是不同的,一般在固体中传播的速度最快,液体次之,在气体中传播得最慢。并且,在气体中传播的速度还与气体的温度和压强有关。有规律的悦耳声音叫乐音,没有规律的刺耳声音叫噪音.响度、音调和音色是决定乐音特征的三个因素。

3、培养目标

本专业主要培养具有坚实系统的应用声学与信息科学基础,并掌握相应的电子技术、计算机技术及声学测量技术,能够适应高科技发展以及经济、教育等多方面的需要,从事科研、开发和教学的高层次人才。

通过学习,将具备了以下几方面的能力:

1、具备扎实的数理基础,宽阔的科学视野和一定的科研能力、创新能力;

2、掌握计算机软、硬件基础知识,较系统地掌握本学科的基本理论、基本知识、基本技能和基本方法;

4、具有较强的分折问题和解决问题的能力和综合实践能力;

5、了解国内外该学科发展的动态和趋势。

4、学科方向

物理声学


声学

物理声学是声学的基础研究方向。目前,该方向有如下研究子方向。

(1)非线性声学:非线性振动动力学,振动激励下流体和颗粒介质中的非线性波动,周期与复杂介质(结构)中的非线性声波,声波非线性界面效应,声孤子及其混沌。

(2)强声学:含泡液体等多相介质中的声传播,声空化现象,声致发光现象,等等。

(3)空气声学与声凝聚:雾状气体、含微粒物质气体中声的传播,声与物质的相互作用,声致凝聚、结晶效应,等等。

光声学

该方向是声学(超声学)与光信息科学与技术相结合而形成的交叉学科方向,主要研究光声热波效应与成像技术,激光超声理论与成像技术,光声技术在集成电路和材料无损检测与评价中的应用,微电子声学系统。

超声学

该方向研究超声波的基本理论及其在电子、通讯、工业、交通等领域的应用,设如下两个子方向。

(1)超声电子学:超声在固体以及复合介质中的传播理论,声表面波现象,复合超声换能器设计,声表面波通讯器件及其在通讯领域的应用,微机械声学传动和传感器件及其应用。

(2)检测声学:超声在非均匀媒质、板状、层状或柱状媒质中的传播特征,超声导波技术,兰姆波传感技术,超声工业无损检测与评价,人工声带隙材料及其应用。

生物医学超声学

该方向是超声学与生物学、医学等学科相结合而形成的交叉学科方向,是超声学、生物医学工程学的前沿研究方向之一。主要研究领域包括:

(1)医学超声工程:医学超声信号处理的理论与技术,新型超声电子诊断器械与设备以及超声手术器械;

(2)非线性超声及其医学成像:生物媒质中的非线性声学效应和声传播特征,非线性超声参量成像,高频超声成像,超声造影剂,超声影像处理技术;

(3)超声生物医学效应:超声对人体组织和生物大分子的物理、生物与化学效应,高强度聚焦超声及其医疗应用,生物组织的超声处理,超声安全与超声剂量学。

音频声学

音频声学研究可听声范围内的一切声学问题,主要有如下若干个子方向。

(1)环境与建筑声学:噪声与振动控制原理,有源消声技术与有源抗噪声耳罩,噪声评价与治理;房间声场及其计算,建筑物与厅堂声学效果设计,隔声技术,声隐形技术;

(2)电声学与音响工程:扬声器和扩声系统,计算机电声系统辅助测量与设计,音箱设计专家系统和电声测量专家系统,数字音频技术。

声信号处理

该方向设有两个子方向。

(1)语音信号处理:强噪声背景下信息提取的听觉模型、语音识别和混合盲信号分离,自适应语音消噪,语音特征二值量化和话者识别,语音人工神经网络处理;

(2)非线性声信号处理:混沌声信号处理及其应用,语音的非线性动力学与非线性(混沌)预测模型及其应用,声混沌编码及其在安全通讯中的应用。

5、研究方向

(01)超声检测

(02)水声学

(03)换能器与传感器

(04)声信号处理

6、开设院校

南京大学(10284)、北京大学(10001)、北京理工大学(10007)、北京师范大学(10027)、大连理工大学(10141)、西北工业大学(10699)、同济大学(10247)、中国科学技术大学(10358)、清华大学(10003)、复旦大学(10246)、南开大学(10055)、浙江大学(10335)、中国人民大学(10002)、国防科学技术大学(90002)、湖南师范大学(13250)、华东师范大学(10269)、华中科技大学(10487)、厦门大学(10384)、重庆大学(10611)、上海师范大学(10270)、*民族大学(10052)等。

7、相关报道

中科院声学所来航海学院开展职业辅导工作


声学

据西北工业大学新闻网2018年4月9号报道,4月8日16时,中国科学院声学研究所宣讲会在航海学院东配楼顺利举办。中科院声学所李悦女士向航海学院2015级本科生介绍了声学所的基本情况以及招生信息,为同学们提供学科前瞻和就业指导。

辅导课以海洋强国战略开篇,为大家普及了海洋强国战略有关知识。“海洋强国”是指在开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋方面拥有强大综合实力的国家。提高海洋资源开发能力,发展海洋经济,保护海洋生态环境,坚决维护国家海洋权益,建设海洋强国意义重大。“发展蓝色科技,建设海洋强国”是国家为了适应未来海洋科技创新新趋势而提出的战略口号。作为三航学子,我们正是承载着国家重要战略的核心力量,任重而道远。

介绍完声学所面临的时代背景之后,李悦女士从地域分布、院士风采、人才队伍、科研成果、奖项荣誉、学科组与研究单元等十余个方面为同学们详细介绍了中科院声学所的基本情况。接着,她向大家展示了声学所研究生、博士生的学习、科研和活动情况,以及招生计划。最后环节,她为现场提问的同学们详细解答了学习、就业和研究生招生方面的疑惑。一直到宣讲会结束后,不少同学还一直在请教各类问题,大家都表示宣讲会对自己今后就业和考研的认知有很大的帮助。

目前,2015级本科生也开始面临着读研、就业、出国等现实问题,相信这次职业辅导课能够解决同学们心中的不少疑问,给大家提供就业、考研方面的指导。

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