声学的研究内容，声学研究的频率范围

声学的研究内容

1．声学是一门科学

声学的定义很简单，就是研究声波的产生、传播、接收和效应的科学。通俗地讲，就是关于声音的学问。

声音从产生，比如说由一个喇叭产生的声音，通过一种介质传播到耳朵接收，然后进入内耳，在内耳的皮层产生一个响应，变成了电，电信号到了大脑进行处理，这就是一个完整的过程。从产生到传播到接收，一直到声音产生的效应在人的大脑中产生了反应（见图11－4）。当然，接收的也不一定是耳朵。

现在最常用的话筒，声学上叫传声器，就是模拟人的耳朵，把声信号变成电信号；声波的效应实际上还会产生一些与物质之间的相互作用，与燃烧、流动这样一些过程之间也会产生一些相互的作用。这些现象或问题都是声学要研究的内容。

图11－4　听觉形成示意图

声学作为一门科学，首先要致力于描述、创造和理解人类经验的一部分，关于声波和声波的效应这部分。

所谓描述，就是要建立声音范畴中的秩序和规律，要建立定律。在声音范畴里，面对各种各样的现象，声学的任务之一就是要建立起与现象相对应的各种各样的方程、定律，用来描述这些物质的振动现象。

创造，是要发现和发明一些新的东西。当然，新的东西不是常常能够发明的，能够揭示人们过去不知道的声学现象，也叫做创造。比如说人耳的听觉机理，声音的刺激怎样变成电信号并进入大脑，像这样一些现象都是通过研究以后找到其规律。这就是一个发现和创造的过程。

然后要理解，在理解一些声学现象的基础上，发展新的具有普遍解释现象的理论。一个人在这边讲一句话，在远处听到的是什么样的效果，跟这儿讲的话有什么样的联系，类似这样的一些关系，都需要在理解的基础上建立起来一些规律才能说明白。

所以说，声学首先是一门科学，声学的生命力也就在于科学的物理基础，有了这些基础，声学才能朝前发展。

声波在大气中的传播是必须研究的内容，因为人类的大部分活动都是在大气中进行的，比较特殊的如次声，是一种绕着地球转好几圈都不至于衰减掉的声音。大气的湍流，大气层的厚度，温度分布、湿度分布等等这样一些变化，都会对传播产生重要的影响，当然也需要研究和认识。因为人们经常需要探测固体中的缺陷或者结构，特别是对于不透光的物体，声波就是很好的探测手段，因此也要研究声波在固体中的传播。比如说要做B超，就要研究声波在人体里面怎样传播，在肌肉里面怎样传播，在脂肪里怎样传播，然后到了骨头里面又是什么样的一个情况，然后才知道，哪儿发生了病变，哪些部位是健康的。像这样的情况，需要相当多的基础研究。

2．声学研究的频率范围

声学研究的声波是一个扰动的传播，扰动就有快慢（见图11－5）。声学研究的扰动是怎样一个范围呢？广义地讲，声学研究的范围是从10^－4赫开始的，也就是每10⁴秒才振动一次，或者说振动周期是10⁴秒，这样的振动是非常非常慢的。

图11－5　不同频率的声波记录

声学不研究直流，不研究平均流，这是力学研究的主要内容之一，静力学或者动力学研究的是平稳物理现象或变化很慢的物理现象。

实际上人的耳朵对声波的响应范围很窄，一般是从20赫到22千赫。在这个范围以外，人的耳朵都听不见了，所以在这个范围以内的声波称为可听声，如乐器的乐音等（见图11－6）。在声学范围内，10－4～20赫这个范畴的声波称为次声，这一频率范围内的声变化很慢的，人的耳朵无法听到。当声波的频率过高时，具体说当超过22千赫时，人的耳朵也是听不到的。22千赫以上的声叫超声。

图11－6　琵琶、提琴等乐器可发出和谐乐音

次声频段的声波在大气物理、地球物理中都有很多的用处，地震以及台风，像2006年在中国东南沿海一带出现的“桑美”等一系列强台风发生时，都会产生次声，在几千千米以外，使用灵敏的声学传感器就能接收到这种信号，经过处理就可以给台风定位：台风在什么地方？台风强度多大？地震波监测实际上就是次声监测。世界上一些重要国家的声学研究机构都会在其全国甚至海外设置很多监测站，监测地震以及核爆炸产生的次声波沿着地球表面传播的情况。现在正在进行的国际核军控，声学的办法仍然是一种有效的监测手段。这些监测站点转给非军事部门以后，大多成了地震台站的得力仪器，用来监测地壳振动。

到了可听声的频段，大家就比较熟悉了。生活中许多噪声让人感到难以忍受，这些噪声却是声学科学研究的对象。在城市闹市区，到处使用的话筒、喇叭以及汽车的鸣笛所产生的噪声很吵，是电声所研究的对象。在一个房间里讲话能不能听得清楚，属于建筑声学的研究范畴。当然，语言、音乐、许多鸟类的鸣叫，都是可听声的研究范围。

到了22千赫以上，绝大多数人的耳朵也听不见了。在超声频段声波可以干什么呢？大家最熟悉的可能是定期或不定期的体检，其中一项常规的检查是B超，就是要用超声波来检测人体内有没有病变，有没有什么缺陷。超声检查还可以检查材料，检查工业产品的生产缺陷。有一种大家很熟悉的动物把超声作为它的“眼睛”来用，那就是蝙蝠，它发出超声波来探测周围环境中的障碍，以保证在飞行过程中随时躲开或避让这些障碍。

3．声强与韦伯定理

声波的强度（声强）是表征声波所携带能量大小的一种物理量，一般用声压表示。声压是指在平均压力水平（在空气中就是大气压）的基础上随时间变化的这部分压力，声学所研究的声压的变化范围为10^－5～10⁶帕。对这样的一个声强范围，在表述和使用时很不方便，所以一般并不讲多少多少帕斯卡，而是用“分贝”来表示。分贝的概念现在已经使用极为广泛，在一些发达国家的城市街道边会设立一个显示牌，以显示当时这个位置附近的噪声分贝值。

实际上，分贝代表的是人的对声音的主观反映。在视觉上，由于背景的不同，往往一样高的物体给人的感觉却有差异。人的感觉强弱与原有背景相关的这种普遍性是一个叫韦伯的人总结出来的，他所得到的结论就称作“韦伯定理”。

对声学而言，也有同样的情况。人的耳朵对声音响度的感觉，与强度的对数成正比，而不是单纯地与强度刺激本身成正比。比如，在手里空空的情况下，放一个粉笔头上去，很容易就能感觉到；但是，如果先在手上放上一块砖头，然后再轻轻地放一个粉笔头在上面，可能就很难感觉到了。这类现象的背后有什么原因吗？简单说，就是因为原来就有了一块砖头在那里，后加上的一块粉笔的质量与砖头的质量相比实在是微不足道，也就很难感觉得到。

这个关系用数学语言来叙述就是：感觉与变化量成正比，同时还与原来的基础量成反比。这个关系两边累积起来（积分），得到的就是变化量的对数。所以说，声音的强度不是用线性量来描述的，而是用以10为底、变化量与基础量比值的对数值描述，单位是“贝尔”（B）。贝尔乘以10就叫分贝（dB），即1分贝＝10贝尔。这是对能量的强度作用而言的。对压力来说，因为能量和压力的平方成正比，所以声压级是用声压的对数乘以20。

4．声学研究强度范围

用分贝的概念来表述声音强度的时候，所研究强度的范围大概是0～180分贝。这里，0分贝到20分贝之间，实际上是人的听阈。每人的听阈不一样，一个比较健康的听力很好的人，可能能够听到接近0分贝的声音；听力稍微差一点的人，可能在声强为20分贝以上才有感觉。所以，对一般人来说，声强低于20分贝的环境是非常安静的。比如到了乡村连虫叫都没有的地方，也许能够找到这么一方“静”土。但是，一般情况下，现在到处都是很吵，很难再有这么安静的地方，大概也只有在实验室还可以找到这样的一个区域。通常，20～30分贝的声强环境是比较理想的休息场所，比如说很安静的卧室里、病房里就非常安静，这时候你能够听到放在耳朵旁边的手表“嗒嗒”作响，蚊子的叫声也让人觉得很烦。在不靠近马路边的居室里或者比较安静的图书馆里，大约是40分贝，可以非常安心地看书、学习和思考。面对面的交谈，离得比较近时，声级大概就有50～60分贝。

在商业区的办公室里面，若有打字机、计算机等办公设备在工作，声强一般在60分贝左右，不超过70分贝，人们都觉得能够忍受。70～80分贝，是城市街道或公路上的平均噪声环境，大型车辆通过时，声强可到80～90分贝，会给人很吵的感觉。

建筑施工工地上声强可达100分贝，浇灌水泥浆现场附近的声强差不多就是100多分贝；城市里维修路面时所使用的风钻，旁边的噪声也有100多分贝。走过这类环境路段，会觉得非常吵。更高强度的声音不太常见，喷气式飞机在起飞的时候，在100米以外，听到的差不多要有120分贝的声音。再高，比如说到喷气发动机25米的地方，就可能达到140分贝，这时候人的感觉已经不再是吵，而是耳朵感到疼痛了（见图11－7）。

图11－7　超音速飞机突破声障造成强噪声

若声强再高的话，人的胸腔都感觉到要振动起来，这已经对人有危险了。所以声学研究的范围是从差不多0分贝到200分贝，这可以说是极限，一般来说到180分贝已经很难实现了，会产生严重的非线性效应。现在，在实验室条件下可以实现180分贝的声强度。