第八讲 与声学有关的交叉学科
第八讲与声学有关的交叉学科
声学之所以被认为是“最古老而又最年轻的学科”，其根本原因是声学本身与其他许多学科之间存在着非常广泛的相互渗透关系，以致形成许多相应的边缘学科，其中不仅涉及包括生命科学在内的几乎所有主要的基础自然科学，还在相当程度上涉及若干人文科学．这种广泛性不仅在物理学其他分支中，即使在整个自然科学中也是非常罕见的．
现代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(机械)波现象．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，形成了一系列诸如声化学、医学超声学、生物声学、海洋声学、环境声学、建筑声学、语言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．本讲分别做一简介．
§8.1次声学§8.2大气声学§8.3电声学§8.4生理声学§8.5生物声学§8.6水声学§8.7语言声学
次声学的研究范畴
次声学的发展历史
次声学
次声波在大气中的传播特性
次声学的应用
次声学是研究次声波在媒质中的产生、传播和接收及其效应和应用的科学．
次声学的研究范畴
次声是频率低于可听声频率范围的声，它的频率范围大致为10-4Hz ～20Hz ．次声学的发展历史早在19世纪，人们就已记录到了自然界中一些偶发事件(如大火山爆发或流星爆炸)所产生的次声波．其中最著名的是1883年8月27日，印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，它产生的次声波传播了十几万公里，当时用简单微气压计都可以记录到它．在理论方面，最早在1890年，英国物理学家瑞利就开始了大气振荡现象的研究．
第一次世界大战前后，火炮和高能炸药的出现，提供了较大的声源，促进了对次声在大气中传播现象的了解．在20世纪20年代还进行了高层大气的温度和风对次声传播影响的研究，并建立了探测高层大气的简单声学方法，为此还研制了灵敏度更高的微气压计、热线式次声传声器．30年代发展了电容次声传声器．40年代后，利用声波在大气中的传播速度与温度的均方根成正比关系的原理，提出了火箭-榴弹次声法测定高层大气温度和风速的方法，发展了次声接收和定位的新技术．
核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和次声传播等方面部有了很大发展．
核爆炸会形成强大的次声源，它产生的次声波在大气中可以传播得非常远，次声方法曾成为探测大气中核爆炸的主要方法之一．为此建立了许多次声观察站，进行了长时期连续记录和观察．人们还发现了大气中存在许多自然次声源，对它们的发声机制和特性进行了初步的了解．
现在知道的自然次声源有
火山爆发、流星、极光、电离层扰动、地震、晴空湍流、海啸、台风、雷暴、龙卷风、雷电等．
认识并利用次声方法来预测它们的活动规律，已成为近代次声学研究的重要课题．
长周期的次声波在电离层中传播，使电离层受到扰动，这种以声重力波方式传播的次声波成为高空大气研究中非常活跃的课题之一．
次声波在大气中的传播特性
次声在大气中的传播衰减小
声在大气中传播的衰减主要是由分子吸收、热传导、和粘滞效应引起的，相应的吸收系数与频率的二次方成正比．由于次声的频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小．此外，湍流的作用也会引起次声波的衰减．但是它们的影响都很小，通常可略去不计．
大气温度、密度和风速影响次声在大气中的传播
大气温度、密度和风速随高度具有不均匀分布的特性，使得次声在大气中传播时出现“影区”、聚焦和波导等现象．
大气温度当高度增加时，气温逐渐降低，在20公里左右出现一个极小值；之后，又开始随高度的增加，气温上升，在50公里左右气温再次降低，在80公里左右形成第二个极小值；然后复又升高．
大气次声波导现象与这种温度分布有密切关系．声波主要沿着温度极小值所形成的通道(称为声道)传播．通常将20公里高度极小值附近的大气层称为大气下声道，高度80公里附近的大气层称为大气上声道．次声波在大气中传播时，可以同时受到两个声道作用的影响．
次声在大气中的传播具有衰减小并受波导和重力影响等特点．
在距离声源100～200公里处，次声信号很弱，通常将这样的区
域称为影区．在某种大气温度分布条件下，经过声道传输次声
波聚集在某一区域，这一区域称它为聚焦区．
风速风也会对次声在大气中的传播产生很大的影响．次声的传播在顺风和逆风时差别很大：顺风时，声线较集中于低层大气；逆
风时，产生较大的影区．
不同频率的次声在大气声道中传播速度不相同，产生频散现象，这使得在不同地点测得次声波的波形各不相同．
大气密度大气的密度随高度增加而递减，如果次声波的波长很大，例如有几十公里长，这时，在一个波长的范围内，大气密度已经产生显著的变化了．当大气媒质在声波的作用下受到压缩时，它的重心较周围媒质提高，这时除了弹性恢复力作用外，它还受重力的作用．反之，当它在声波作用下膨胀时，也有附加重力作用使它恢复到平衡状态．所以长周期的次声波，除了弹性力作用外，还附加有重力的作用，这种情况下，次声波通常称为声重力波．
声重力波在大气中传播时，在理论上可以看作是一些简正波的叠加．基本上可分为声分支和重力分支．它们在大气中传播都具有频散现象．由于重力分支主要能量在地面附近传播，而地面附近温度较高，因此传播速度较大．
次声学的应用
早在第二次世界大战前，次声方法已应用于探测火炮的位臵，可是直到20世纪50年代，它在其他方面的应用问题才开始被人们注意，它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：
通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制，更深入地认识这些现象的特性和规律．
利用接收到的被测声源所辐射的次声波，探测它的位臵、大小和其它特性．
预测自然灾害性事件．
对大范围某些大规模大气现象的性质和规律的连续探测、监视和预测．
通过测定次声波与大气中其它波动的相互作用的结果，探测这些活动特性．
利用测定次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况．
大气声学
大气声学的研究范畴
大气声学的主要研究内容大气声学的发展历史
大气声学的研究范畴
大气声学是研究大气声波的产生机制和各种声源的声波在大气中传播规律的分支，作为以声学方法探测大气的一种手段，也可看成是大气物理的一个分支．
大气中存在着的各种各样的声音，可以笼统的分成自然的和人为的两大类．
大气声学的主要研究内容
自然声主要来源于一系列气象现象和其他地球物理现象，如飓风(台风)、海浪、地震、极光、磁暴等．它们不仅产生可听声而且更产生次声；风的呼啸是由于大气涡旋通过各种障碍物时被破坏而产生的．其他一些常见的自然声则大多来自空气流中某些物体的振动，如电线的嗡嗡声、树叶的沙沙声等．
人为声人为的声音中主要是工业和交通工具的噪声，特别是超音速喷气机飞行时产生的冲击波传播问题，日益引起人们的注意．如果大气条件有利于这种波的聚焦，那么地面上的建筑物和人的健康就会受到危害．
主要研究内容
声源定位
频谱分析
雷电声随着声定位技术的发展，现在已可由若干个接收站测得的数据定出自然声源或人为声源的位臵，这在预报台风、地震以及侦察核爆炸、炮位中都有具体应用．随着数字式数据处理技术的迅速改进，这类应用将日臻完善和广泛．
大气中自然源发出的声波具有极宽的频谱，此外，在周期几分钟至几十分钟内，还存在一类空气压缩力和重力共同参与作用的声重力波．不过大部分自然声源主要产生大气次声波．由于发声过程的复杂性、测量技术和识别声源方面的困难，仅对雷声作过较多的频谱测量，其他发声过程的频谱尚只能估计．
雷是伴随闪电出现的大气发声现象．雷形成的机制，主要是强烈的闪电放电时，电流通过闪电通道而产生高温高压等离子体，造成一个向通道四周传播的激震波，这个高压激震波在很短距离内迅速衰减并退化为强的可闻声和次声．
大气不均匀性的影响从声学观点来看，大气是一种运动着的不均匀媒质，大气声学的重大课题都与声在大气中传播时所发生的现象相关联．大气的密度和温度随高度而降低，而温度在某些高度重新增长．在这种规则的不均匀性上，叠加着温度和风随气象条件的变化以及不同尺度的随机湍流脉动．所有这些不均匀性都对声传播产生强烈影响：无湍流大气的分层不均匀性使声音产生折射；湍流不均匀性引起声音的散射和减弱．
不同频率的声波在大气中具有不同的传播速度，因而在大气中传播的(非单频)次声波会产生频散．同时大气特定的温度层结构和风结构对各种频率和向各个方向传播的次声波具有选择作用，即只允许某些频率的次声波作远距离传播，其余频率的传播则受到强烈抑制，这就是大气选频作用．次声波的频散和大气选频作用，在探测人工和自然声源以及解释声信号特征方面，都是十分重要的．
频散和选频由于闪电放电的复杂性，不同闪电的雷声在时间变化和强度等方面也有很大差异，大体可分为炸雷(持续时间1秒左右的强烈雷声脉冲)、闷雷(重复数次的隆隆声脉冲)和拉磨雷(持续较长时间的低沉声响)三种．
电声学
电声学的研究范畴
电声换能器
电声学的发展历史
电声技术
电声学与其它学科的交叉
电声学的研究范畴
电声学是研究声电相互转换的原理和技术，以及声信号的存储、加工、传递、测量和利用的科学．它所涉及的频率范围很广泛，从极低频的次声一直延伸到几十亿赫的特超声．不过通常所指的电声，都属于可听声范围．
电声学的发展历史
电声技术的历史最早可以追溯到19世纪，由爱迪生发明留声机和贝尔发明用于电话机的碳粒传声器开始，1881年曾有人以两个碳粒传声器连接几对耳机，作了双通路的立体声传递表演．大约在1919年第一次用电子管放大器和电磁式扬声器做了扩声实验．
在第一次世界大战以后，科学家们把机电方面的研究成果应用于电声领域中，于是电声学就有了理论基础．随着电声换能器理论的发展，较为完善的各类电声设备和电声测量仪器相继问世，特别是20世纪70年代来，电子计算机和激光技术在电声领域中的应用，大大促进了电声学的发展．
电声换能器
电声换能器是把声能转换成电能或电能转换成声能的器件，对它的研究是电声学的一个重要内容分支．
通常所指的电声换能器，都属于可听声范围．
电声换器能的组成
各种电声换能器，尽管其类型、功用或工作状态不同，它们都包含两个基本组成部分，即电系统和机械振动系统．
在换能器内部，电系统和机械振动系统之间通过某种物理效应相互联系，以完成能量的转换．
在其外部，换能器的电系统与信号发生器的输出回路，或前级放大器的输入回路相匹配．
换能器的机械振动系统，以其振动表面与声场相匹配．
设计电声换能器要同时考虑到力-电-声三个体系．这三种体系是互相牵制的，处理得不好往往会顾此失彼．
电声转换器的分类
广义的电声换能器应用的频率范围很宽，包括次声、可听声、超声换能器．属于可听声频率范围内的电声换能器分类如下：
声频换能器
按用途分
传声器
扬声器
送受话器
助听器
按换能方式分
可逆
换能器
不可逆
换能器
电动式
静电式
压电式
可用作声发射器
碳粒式
离子式
调制气流式
电声技术
电声技术是电声领域中发展得比较快的一个分支，在政治、军事、文化各个领域内有着广泛的应用．例如，应用于有线或无线通信系统；有线或无线广播系统以及会场、剧院的扩声；录音棚、高保真录放系统等；此外还应用于发展中的声控、语控技术；以及语言识别等新技术．总起来说，它主要包括录放声技术、扩声技术以及与它们有关的电声仪器和电声测试技术等．
录放声技术
录放声技术是指把自然声音经过一系列技术设备(如传声器、录音机、拾声器等)进行接收、放大、传送、存储、记录和复制加工，然后再重放出来供人聆听的技术．它研究的主要问题是如何保持自然声的优良的音质，即在各个环节以及整个系统，都具有逼真地保持声音信号原来面貌的能力，包括对声音信号进行必要的美化和加工．
声频放声装臵
可分成四个部分：
电信号提取设备——输入端录声机、电唱机、接收机，是从盒式磁带、唱片及广播电波中把希望的节目作为电信号提取出来的设备．
调音设备——前级控制台(包括前臵放大器、衰减器、混合网路等)主要作调音用．
功率放大器——将控制台的输出信号增强到能够驱动扬声器系统工作的放大器．
声辐射器——扬声器或耳机，将电信号转换成声信号．
收听室相当于扬声器系统的使用环境，对重放音乐的音质起很大的作用．
扩声系统扩声系统主要包括：扩声系统是具有反馈的系统．在通路增益足够大时系统就会失去稳定性，并过渡到自振状态，产生啸叫．所以在扩声技术中除了对声信号进行加工美化外，为了提高扩声系统的最大功率增益，改进扩声质量和系统的稳定性，必须采取措施来抑制声反馈所引起的声音畸变．
把电信号转变为声信号的扬声器和听众区的声
学环境
声源和它周围的环境
把声信号转变为电信号的传声器
放大电信号并对信号加工的设备
传输线
扩声不同于放声之处是传声器和扬声器处在同一声场内．