現(xiàn)代聲學(xué)的內(nèi)容

　　現(xiàn)代聲學(xué)研究主要涉及聲子的運(yùn)動(dòng)、聲子和物質(zhì)的相互作用，以及一些準(zhǔn)粒子和電子等微觀粒子的特性。所以聲學(xué)既有經(jīng)典性質(zhì)，也有量子性質(zhì)。
　　聲學(xué)的中心是基礎(chǔ)物理聲學(xué)，它是聲學(xué)各分支的基礎(chǔ)。聲可以說(shuō)是在物質(zhì)媒質(zhì)中的機(jī)械輻射，機(jī)械輻射的意思是機(jī)械擾動(dòng)在物質(zhì)中的傳播。人類(lèi)的活動(dòng)幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語(yǔ)言音樂(lè)，從地球到人的大腦，從機(jī)械工程到醫(yī)學(xué)，從微觀到宏觀，都是聲學(xué)家活動(dòng)的場(chǎng)所。
　　聲學(xué)的邊緣科學(xué)性質(zhì)十分明顯，邊緣科學(xué)是科學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)，因此有人主張聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)最好的發(fā)展方向。
　　聲波在氣體和液體中只有縱波。在固體中除了縱波以外，還可能有橫波(質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時(shí)還有縱橫波。
　　聲波場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)每秒振動(dòng)的周數(shù)稱(chēng)為頻率，單位為赫(Hz)。現(xiàn)代聲學(xué)研究的頻率范圍為萬(wàn)分之一赫茲到十億赫茲，在空氣中可聽(tīng)到聲音的聲波長(zhǎng)為17毫米到17米，在固體中，聲波波長(zhǎng)的范圍更大，比電磁波的波長(zhǎng)范圍至少大一千倍。聲學(xué)頻率的范圍大致為：可聽(tīng)聲的頻率為20～20000赫，小于20赫為次聲，大于20000赫為超聲。
　　聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量，密度、內(nèi)耗以及形狀大小(產(chǎn)生折射、反射、衍射等)有關(guān)。測(cè)量聲波傳播的特性可以研究媒質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和幾何性質(zhì)，聲學(xué)之所以發(fā)展成擁有眾多分支并且與許多科學(xué)、技術(shù)和文化藝術(shù)有密切關(guān)系的學(xué)科，原因就在于此。
　　聲行波強(qiáng)度用單位面積內(nèi)傳播的功率(以瓦/米2為單位)表示，但是在聲學(xué)測(cè)量中功率不易直接測(cè)量得，所以常用易于測(cè)量的聲壓表示。在聲學(xué)中常見(jiàn)的聲強(qiáng)范圍或聲壓范圍非常大，所以一般用對(duì)數(shù)表示。稱(chēng)為聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)，單位是分貝(dB)。
　　聲學(xué)的研究方法與光學(xué)研究方法的比較
　　聲學(xué)分析方法已成為物理學(xué)三個(gè)重要分析方法(聲學(xué)方法、光學(xué)方法、粒子轟擊方法)之一。聲學(xué)方法與光學(xué)方法(包括電磁波方法)相比有相似處，也有不同處。
　　相似處是：聲波和光波都是波動(dòng)，使用兩種方法時(shí)，都運(yùn)用了波動(dòng)過(guò)程所應(yīng)服從的一般規(guī)律，包括量子概念(聲的量子稱(chēng)為聲子)。
　　不同處是：光波是橫波，聲波在氣體中和液體中是縱波，而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為復(fù)雜；聲波比光波的傳播速度小得多；一般物體和材料對(duì)光波吸收很大，但對(duì)聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)的界面上幾乎是完全反射。
　　這些傳播性質(zhì)有時(shí)造成結(jié)果上的極大差別，例如在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很容易驗(yàn)證光波的平方反比定律(光的強(qiáng)度與到光源的距離平方成反比)。根據(jù)能量守恒定律，聲波也應(yīng)滿(mǎn)足平方反比定律，但在室內(nèi)則無(wú)法測(cè)出。因?yàn)槭覂?nèi)各表面對(duì)聲波來(lái)說(shuō)都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發(fā)出后要反射很多次，在室內(nèi)往返多次，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間(稱(chēng)為混響時(shí)間)才消失。任何點(diǎn)的聲強(qiáng)都是這些直達(dá)聲和反射聲互相干涉的結(jié)果，與距離的關(guān)系很復(fù)雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對(duì)很多聲學(xué)現(xiàn)象不能理解的原因。
　　聲學(xué)的分支學(xué)科
　　與光學(xué)相似，在不同的情況，依據(jù)其特點(diǎn)，需要運(yùn)用不同的聲學(xué)方法進(jìn)行研究。
　　波動(dòng)聲學(xué)也稱(chēng)物理聲學(xué)，它是使用波動(dòng)理論研究聲場(chǎng)的學(xué)科。在聲波波長(zhǎng)與空間或物體的尺度數(shù)量級(jí)相近時(shí)必須用波動(dòng)聲學(xué)分析。其主要內(nèi)容是研究聲的反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現(xiàn)象。
　　在封閉空間(例如室內(nèi)，周?chē)斜砻?或半關(guān)閉空間(例如在水下或大氣中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振動(dòng)(稱(chēng)為簡(jiǎn)正振動(dòng)方式或簡(jiǎn)正波)。簡(jiǎn)正方式理論是引用量子力學(xué)中本征值的概念并加以發(fā)展而形成的。
　　射線聲學(xué)或稱(chēng)幾何聲學(xué)，它與幾何光學(xué)相似。主要是研究波長(zhǎng)非常小時(shí)，能量沿直線的傳播的規(guī)律。即忽略衍射現(xiàn)象，只考慮聲線的反射、折射等問(wèn)題。這是在許多情況下都很有效的方法。例如在研究室內(nèi)反射面、在固體中作無(wú)損檢測(cè)以及在液體中探測(cè)等時(shí)，都用聲線概念。
　　統(tǒng)計(jì)聲學(xué)主要研究波長(zhǎng)非常小，在某一頻率范圍內(nèi)簡(jiǎn)正振動(dòng)方式很多，頻率分布很密時(shí)，忽略相位關(guān)系，只考慮各簡(jiǎn)正方式的能量相加關(guān)系的問(wèn)題。賽賓公式就可用統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法推導(dǎo)。統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法不限于在關(guān)閉或半關(guān)閉空間中使用。在聲波傳輸中，統(tǒng)計(jì)能量技術(shù)解決很多問(wèn)題，就是一例。
　　聲學(xué)儀器
　　20世紀(jì)以前，聲源僅限于人聲、樂(lè)器、音義和哨子。頻率限于可聽(tīng)聲范圍內(nèi)，可控制的聲強(qiáng)范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時(shí)用歌弧、歌焰作定性比較，電話(huà)上的接收器和傳聲器還很簡(jiǎn)陋，難于用作測(cè)試儀器。
　　20世紀(jì)以后，人們把電路理論應(yīng)用于換能器的設(shè)計(jì)，把晶體的壓電性用于聲信號(hào)和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，以后又發(fā)展了壓電陶瓷、駐極體等，并用電子線路放大和控制電信號(hào)，使聲的產(chǎn)生和接收幾乎不受頻率和強(qiáng)度的限制。
　　近年用半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)生超聲，用激光轟擊金屬激發(fā)聲波等，使聲頻超過(guò)了可聽(tīng)聲高限的幾億倍。次聲頻率可達(dá)每小時(shí)一周以下，聲強(qiáng)可超過(guò)人耳所能接收高強(qiáng)聲音的幾千萬(wàn)倍。聲功率也可超過(guò)人發(fā)聲的一千億倍。聲學(xué)測(cè)量分析儀器也達(dá)到了高度準(zhǔn)確的程度，以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試設(shè)備可完成多種測(cè)試要求，60年代需要幾天才能完成的測(cè)試分析工作，用現(xiàn)代設(shè)備可能只要幾秒鐘就可以完成，這些手段給聲學(xué)各分支的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。
　　利用對(duì)聲速和聲衰減，測(cè)量研究物質(zhì)特性已應(yīng)用于很廣的范圍。目前測(cè)出在空氣中，實(shí)際的吸收系數(shù)比19世紀(jì)斯托克斯和基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導(dǎo)推出的經(jīng)典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬(wàn)倍。這個(gè)事實(shí)導(dǎo)致了人們對(duì)弛豫過(guò)程的研究，這在對(duì)液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用。對(duì)于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內(nèi)耗的研究，并對(duì)諸如固體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻(xiàn)。
　　表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學(xué)、熱脈沖、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。
　　聲全息和聲成像是無(wú)損檢測(cè)方法的重要發(fā)展。將聲信號(hào)變成電信號(hào)，而電信號(hào)可經(jīng)過(guò)電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應(yīng)枝檢對(duì)象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測(cè)方法。用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達(dá)到1012Hz以上，為凝聚態(tài)物理開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。
　　聲波在固體和液體中的非線性特性可通過(guò)媒質(zhì)中聲速的微小變化來(lái)研究，應(yīng)用聲波的非線性特性可以實(shí)現(xiàn)和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶中。
　　聲波可以透過(guò)所有物體：不論透明或不透明的，導(dǎo)電或非導(dǎo)電的。因此，從大氣、地球內(nèi)部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點(diǎn)陣等微小部分都是聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái)在地震觀測(cè)中，測(cè)定了固體地球的簡(jiǎn)正振動(dòng)，找出了地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模型，月球上放置的地聲接收器對(duì)月球內(nèi)部監(jiān)測(cè)的結(jié)果，也同樣令人滿(mǎn)意。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)從而避免大量傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。
　　聲學(xué)與生命科學(xué)
　　聽(tīng)覺(jué)過(guò)程涉及生理聲學(xué)和心理聲學(xué)。目前能定量地表示聲音在人耳產(chǎn)生的主觀量(音調(diào)和響度)，并求得與物理量(頻率和強(qiáng)度)的函數(shù)關(guān)系，這是心理物理研究的重大成果。還建立了測(cè)聽(tīng)技術(shù)和耳鼓聲阻抗測(cè)量技術(shù)，這是研究中耳和內(nèi)耳病變的有效工具。
　　在聽(tīng)覺(jué)研究中，所用的設(shè)備很簡(jiǎn)單，但所得結(jié)果卻驚人的豐富。1961年物理學(xué)家貝剴西曾由于在聽(tīng)覺(jué)方面的研究獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)，這是物理學(xué)家在邊緣學(xué)科中的工作受到了承認(rèn)的例子。目前主要由于對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的確切活動(dòng)和作用機(jī)理不明，還未形成完整的聽(tīng)覺(jué)理論，但這方面已引起了很多聲學(xué)工作者的重視。
　　在語(yǔ)言和聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，基礎(chǔ)研究導(dǎo)致很多重要醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)：整個(gè)裝到耳聽(tīng)道內(nèi)的助聽(tīng)器；保護(hù)聽(tīng)力的耳塞，為聲帶損傷病人用的人工喉，語(yǔ)言合成器，為全聾病人用的觸覺(jué)感知器和人工耳蝸等等。
　　除了助聽(tīng)、助語(yǔ)設(shè)備外，聲學(xué)在醫(yī)學(xué)中還有很多可以應(yīng)用的方面，但發(fā)展都很不夠或根本未發(fā)展，特別是在治療方面。有跡象說(shuō)明低強(qiáng)度超聲可加速傷口愈合，同時(shí)施用超聲和 X射線可使對(duì)癌癥的輻射治療更加有效，超聲輻射可治愈腦血栓等，但這些都未形成常規(guī)的治療手段。
　　超聲檢查體內(nèi)器官，并加以顯示的方法有廣泛的應(yīng)用，聲波可透過(guò)人體并對(duì)體內(nèi)任何阻抗的變化靈敏(折射、反射)，因此超聲透視顱內(nèi)、心臟或腹內(nèi)的某些功效遠(yuǎn)比 X射線優(yōu)越，而且不存在輻射病，但使用時(shí)也有局限。超聲全息用于體內(nèi)無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)則尚待發(fā)展。