周华

我国关于声学最早的科学研究来自于战国时期的《吕氏春秋》，上记载有“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”.意思是将某一标准音的管长或弦长增加现有长度的三分之一或减少三分之一产生的音律听起来十分和谐.两种方法交替使用.各种音调得以辗转而生.这就是著名的“三分损益法”.1957年在河南信阳出土.现存于北京故宫博物院的蟠螭纹编钟，是战国前期制造的乐器.它一共9件，大小不一，按照三分损益法制成，其音阶完全符合自然律.音色清纯，可以用来演奏现代音乐.古希腊时代的毕达哥拉斯也曾提出类似声学定律.不过他是以弦乐作为研究基础的.

对声学的系统科学研究始于17世纪初的伽利略.人们很早就懂得区别音调的不同。例如上面所说的利用三分损益法来制作乐器进行表演.但在伽利略之前没有人能说出决定音调高低的实质是什么.伽利略将他的研究成果记载在他晚年完成的《关于两门新科学的对话》一书中.伽利略在生活中偶然发现.当他用一把锋利的铁凿刮一块铜板.在发出强烈尖啸声的同时.刮下来的碎屑会在铜板上排成一组纤细的等距离平行条纹.当以不同的速度移动铁凿时.发出的声音越尖利.碎屑条纹排列得越紧密.而当发出的声音较低沉时这些条纹排列得比较稀疏.他认为条纹排列的疏密程度和铜块振动的频率大小有关.这也间接说明了音调的高低和物体振动的频率有关.伽利略又发现钢琴的琴弦振动时.与其相差八度或五度的琴弦也会发生明显的振动.他将这一现象解释为一根弦的振动在空气中的传播激起了另一根具有相同振动频率的弦发生振动.伽利略于是作出了这样的总结：“音调与物体的振动幅度无关.而是由物体的振动频率决定的.即由撞击到耳朵鼓膜并使其以同一频率振动的空气波动的脉冲数目决定.”过去人们知道.对于一根弦.可以通过改变它的松紧程度、改变横截面积或改变长度来改变它的音调.伽利略的结论使人们意识到原来所做的一切都是为了改变弦的振动频率.

18世纪初.一位英国人站在一座教堂的顶端.注视着19 km外正在发射的炮弹.记录下炮弹发出闪光后与听见炮的轰隆声之间的时间.经过多次测量后取平均值.得到的声速为343 m/s.在当时只能利用人耳和停表的条件下.这一测量结果已十分精确.18世纪中期.巴黎科学院利用同样的方法测得在0℃的环境下声速为332 m/s.这与目前最准确的数值331.45 m/s相差无几.

1827年.瑞士物理学家科拉顿和他的助手分别坐在日内瓦湖相距10 km的两只船上.他的助手在用锤子敲击吊在水下的一口钟的同时.打开船上的闪光灯，坐在另一条船上的科拉顿一手握着他自己设计的喇叭形水下接收器.一手持着秒表.测量从他看见闪光到听见从水里传来的钟声为止的时间.实验结束后.他宣布了水中声速为1 435 m/s.

第一次测量声音在铸铁中的速度也是在巴黎进行的.方法十分巧妙.在铸铁管的一端敲一下.在管的另一端听到两次响声，第一声是由铸铁传来的.第二声是由空气传来的。由于已知声音在空气中的速度.利用管长和两次声音的时间差便可以计算出声音在固体中的传播速度.

其实早在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中.牛顿就运用复杂而难懂的数学方法推导出了声速应等于大气压与密度之比的二次方根.但根据牛顿的推导算出的声速只有288 m/s，与实验值相差很大.直到1816年.拉普拉斯指出只有在空气温度不变时.牛顿对声速的推导才正确.

有关声学研究的集大成者是英国著名物理学家瑞利.1877年由他著作的两卷《声学原理》出版，这部著作至今仍被奉为声学理论研究的经典.在当时许多人看了《声学原理》之后都认为有关声学的所有理论问题都已经被解决.剩下的只是一些工程技术问题.但实际情况远不是这样.20世纪.声学和其他学科联系得越来越紧密.渐渐出现了专注于听觉器官、神经系统、听觉产生机理研究的生理声学和心理声学，致力于研究建筑混响、噪声防治问题的建筑声学和环境声学.致力于研究声电信号转换的电声学等.声学研究已经深深地影响并改变着我们的生产生活.据统计几乎所有的著名物理学家都研究过声学.许多诺贝尔奖获得者都是学声学出身.声学已成为经典物理学中历史最悠久并且仍处于前沿领域的唯一分支学科.

责任编辑 林洋