聲學(xué)學(xué)科發(fā)展及課程體系設(shè)置的分析研究

韓開鋒 蔡清裕

[摘 要]聲學(xué)的起源可追溯到古代人類對于聽覺、語言、音樂等知識的認(rèn)識。聲學(xué)是物理學(xué)中古老卻又前沿的分支學(xué)科。聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機(jī)械波（即聲波）的科學(xué)，研究范圍包括聲波的產(chǎn)生、接收、轉(zhuǎn)換和聲波的各種效應(yīng)。我國開展聲學(xué)研究有較好的基礎(chǔ)，聲學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的研究要以應(yīng)用技術(shù)、應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)開發(fā)為特點(diǎn)。國內(nèi)高校和一些科研機(jī)構(gòu)需要維持一定數(shù)量的從事聲學(xué)研究和教學(xué)的高層次人才，開設(shè)的課程應(yīng)能夠反映聲學(xué)發(fā)展的國際前沿領(lǐng)域和發(fā)展動態(tài)，所培養(yǎng)的聲學(xué)科技人員應(yīng)具有堅(jiān)實(shí)、系統(tǒng)的聲學(xué)理論基礎(chǔ)和深入的專門知識，掌握相應(yīng)的現(xiàn)代聲學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]聲學(xué) 學(xué)科發(fā)展 課程設(shè)置

[中圖分類號] G642.3[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）01-0091-03

聲學(xué)的起源可追溯到古代人類對于聽覺、語言、音樂等知識的認(rèn)識，直到19世紀(jì)中葉，逐漸發(fā)展成為一門體系較為嚴(yán)密的學(xué)科，1877年英國物理學(xué)家瑞利所著的《聲學(xué)原理》就是一部總結(jié)經(jīng)典聲學(xué)理論的巨著[1]，并由此開創(chuàng)了現(xiàn)代聲學(xué)的先河。

一、聲學(xué)的發(fā)展概況

世界上最早的聲學(xué)研究起始于音樂方面，中國先秦時(shí)就有“情發(fā)于聲，聲成文謂之音”之說，對聲學(xué)的系統(tǒng)研究是從17世紀(jì)初伽利略研究單擺周期和物體振動開始的。[2]現(xiàn)代聲學(xué)同多種領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)的聯(lián)系日益緊密，形成了眾多的相對獨(dú)立的分支學(xué)科。從最早形成的建筑聲學(xué)、電聲學(xué)直到目前仍在探討的“分子-量子聲學(xué)”、“等離子體聲學(xué)”和“地聲學(xué)”等，學(xué)科分支數(shù)目已超過20個(gè)，并且仍有新的分支在不斷產(chǎn)生。聲學(xué)不僅涉及包括生命科學(xué)在內(nèi)的幾乎所有主要的基礎(chǔ)自然科學(xué)，還在相當(dāng)大的程度上涉及若干人文科學(xué)。美國聲學(xué)學(xué)會把聲學(xué)分為已被公認(rèn)的18個(gè)主要分支學(xué)科，分屬于不少于12門自然科學(xué)，并擴(kuò)展到藝術(shù)領(lǐng)域。

現(xiàn)代聲學(xué)具有極強(qiáng)的交叉性與延伸性，它與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的大部分學(xué)科發(fā)生了交叉，形成了一系列諸如水聲學(xué)、醫(yī)學(xué)超聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)、生物聲學(xué)等新型獨(dú)特的交叉學(xué)科方向，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中起著舉足輕重的作用。水聲學(xué)是近代聲納設(shè)計(jì)和海洋開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)，所有的水下探測、通訊、導(dǎo)航、遙控等活動都離不開聲學(xué)?，F(xiàn)階段水聲學(xué)已不僅僅應(yīng)用于軍事上，在海洋開發(fā)方面也有廣泛的應(yīng)用，例如近海油氣田的數(shù)字地震勘探、失事飛機(jī)、海難救助的定位等。超聲及其應(yīng)用是近代聲學(xué)發(fā)展中最為迅速的新興分支，超聲無損檢測、超聲醫(yī)療已在工業(yè)和生活方面普遍推廣。目前，高分辨的彩色B超所得到的圖像可與解剖圖媲美。次聲學(xué)的研究也有很好的應(yīng)用領(lǐng)域，次聲方法已成為偵察大氣中核爆炸的主要方法之一，利用次聲也可以預(yù)測許多自然災(zāi)害事件，如發(fā)生地震、火山爆發(fā)、暴風(fēng)雨之前都曾記錄到相伴隨的次聲波。電聲技術(shù)的發(fā)展和近代通訊技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)，當(dāng)前比較熱門的研究主要集中在新概念揚(yáng)聲器。噪聲污染已與空氣污染、水的污染并列為人類環(huán)境的三大污染，因此噪聲控制已成為各國所重視的解決環(huán)境問題的重要課題。對噪聲和振動的研究還和國防密切相關(guān)，例如，火箭、導(dǎo)彈飛行時(shí)的振動及其控制一直是衡量它們總體性能的重要指標(biāo)。多種消聲方法，包括減振、人為屏蔽、有源消聲等正在一些工業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。建筑聲學(xué)的發(fā)展和古代宮殿、教堂以及劇院的建筑有關(guān)，它為現(xiàn)代大型劇場、大會堂的設(shè)計(jì)提供聲學(xué)指導(dǎo)，也為城市噪聲控制提供標(biāo)準(zhǔn)。在聲學(xué)發(fā)展史中值得一提的還有生物聲學(xué)，20世紀(jì)初，美國生理學(xué)家葛拉姆包斯指出，蝙蝠會用喉頭發(fā)射超聲，而用耳朵接收回聲，因而可以在黑夜中飛行與捕食。語言自動識別是人們多年的理想。歐姆提出了“聲音是由許多頻率合成”的概念;亥姆霍茲發(fā)展了這一概念，采用諧振腔對語言進(jìn)行頻率分析[3]，從而奠定了語言聲學(xué)的基礎(chǔ)。隨著近代信息科學(xué)的發(fā)展，語言合成、語言識別的理論得到迅速發(fā)展，人機(jī)交互語言應(yīng)用系統(tǒng)正在成為研究的熱點(diǎn)。

從聲學(xué)方向的發(fā)展趨勢來看，筆者認(rèn)為主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）在理論方面，經(jīng)典聲學(xué)與現(xiàn)代非線性數(shù)學(xué)和非線性物理相結(jié)合形成非線性聲學(xué)。研究有限振幅波的非線性聲學(xué)，已逐步構(gòu)成了日趨完整的現(xiàn)代聲學(xué)體系，非線性聲學(xué)是現(xiàn)代聲學(xué)及其應(yīng)用的基本出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代聲學(xué)最前沿的學(xué)科和學(xué)術(shù)領(lǐng)域。

（二）聲學(xué)與海洋學(xué)的結(jié)合形成海洋聲學(xué)。聲波是目前唯一能在海水中遠(yuǎn)距離傳播的信息載體。在美國科技白皮書中，關(guān)于海洋高技術(shù)的研究內(nèi)容、海洋聲學(xué)技術(shù)占有重要篇幅。目前海洋聲學(xué)技術(shù)的研究內(nèi)容主要包括探測聲納、導(dǎo)航聲納、定位聲納、水聲通信機(jī)和聲層析等技術(shù)。

（三）聲學(xué)與光學(xué)、流體力學(xué)相結(jié)合形成聲致發(fā)光學(xué)。液體中的聲致發(fā)光主要有兩類機(jī)理，分別是多泡聲致發(fā)光和單泡聲致發(fā)光。對聲空化與聲致發(fā)光的物理過程特性進(jìn)行理論描述是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題。

（四）聲學(xué)與現(xiàn)代信號處理和控制技術(shù)相結(jié)合形成噪聲控制學(xué)。噪聲控制學(xué)在未來的發(fā)展具有很大的空間，有源噪聲與振動控制技術(shù)是當(dāng)前噪聲控制技術(shù)中最先進(jìn)的研究方向和前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

二、國內(nèi)外一流聲學(xué)學(xué)科的發(fā)展?fàn)顩r

賓夕法尼亞大學(xué)聲學(xué)研究組成立于1965年，是全美最主要的聲學(xué)本科教育基地，其研究方向主要有聲學(xué)成像和全息術(shù)、聲與振動控制、建筑聲學(xué)、大氣聲學(xué)、噪聲控制、非破壞性評估、非線性聲學(xué)、物理聲學(xué)、信號處理、超聲學(xué)、水聲學(xué)、波傳播與散射等。聲學(xué)研究組面向不同的教學(xué)對象，設(shè)有學(xué)士、碩士、博士等培養(yǎng)類別。分別對本科生和研究生開設(shè)大量的聲學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的課程，并分門別類開設(shè)配套實(shí)驗(yàn)。羅德島州大學(xué)的海洋工程系最早建立于1966年，是全美乃至國際上知名的海洋工程領(lǐng)域的研究與教學(xué)機(jī)構(gòu)，其主要研究方向?yàn)楹Ｑ髢x器和海底映射、水聲學(xué)和數(shù)據(jù)分析、海洋力學(xué)和波浪力學(xué)、海岸和近岸建模、海洋地質(zhì)力學(xué)、海岸和海面結(jié)構(gòu)以及其他相關(guān)領(lǐng)域研究。安德列耶夫聲學(xué)研究所是俄羅斯最大的聲學(xué)研究所，主要從事聲學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)和應(yīng)用性研究。1953年在前蘇聯(lián)科學(xué)院“列別捷夫”物理研究所聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上成立，1994年該所獲得國家科學(xué)中心的地位。該所是海洋噪聲源分析、海洋聲傳播研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，開展了復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)的震蕩過程、聲學(xué)-水動力現(xiàn)象、反噪聲和振動方法等方面的研究。英國的南安普敦聲學(xué)和振動研究所、倫敦帝國理工學(xué)院等在聲學(xué)教育方面長期具有優(yōu)勢，能夠頒發(fā)各種等級的聲學(xué)學(xué)位證書。

目前，在國內(nèi)南京大學(xué)、中國科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國海洋大學(xué)、華南理工大學(xué)、陜西師范大學(xué)等高校及科研機(jī)構(gòu)都有聲學(xué)方向，其中南京大學(xué)是我國高校中主要的聲學(xué)教學(xué)和科研基地，擁有國內(nèi)唯一的聲學(xué)本科專業(yè)和國家重點(diǎn)學(xué)科，是中國最早的綜合性聲學(xué)科研與教學(xué)實(shí)體。迄今，形成了完善的從本科生、碩士研究生到博士研究生和博士后的各級人才培養(yǎng)體系，而其他一些院校都是到研究生階段才有聲學(xué)專業(yè)。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所成立于1964年，主要涉及聲學(xué)專業(yè)和信號與信息處理兩大專業(yè)。前者側(cè)重于基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，后者主要側(cè)重于數(shù)字信號處理研究。

1956年同濟(jì)大學(xué)建成國內(nèi)第一個(gè)混響室和隔聲室，并建成遠(yuǎn)東最大的消聲室、標(biāo)準(zhǔn)混響及標(biāo)準(zhǔn)隔聲測試室，其研究方向主要包括檢測聲學(xué)、噪聲控制、建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)四大專業(yè)方向。哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院是在原水聲工程系、水聲研究所和水聲技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上組建而成，是我國最早從事水聲工程教學(xué)和科研的單位之一。隸屬于該院的水聲工程專業(yè)是目前我國該領(lǐng)域唯一的重點(diǎn)學(xué)科，在水聲工程領(lǐng)域有著重要影響。西北工業(yè)大學(xué)聲學(xué)與信息工程系在原有教研室的基礎(chǔ)上組建成立，以該系為主體的“水聲工程”學(xué)科曾被列入國防科工委“十五”重點(diǎn)建設(shè)規(guī)劃。

海軍工程大學(xué)和青島潛艇學(xué)院都有從事聲納相關(guān)的研究。在強(qiáng)聲學(xué)方面，我國從事強(qiáng)聲學(xué)方面研究的單位不多，北京航空航天大學(xué)流體與工程實(shí)驗(yàn)室僅在“十五”期間，在流體強(qiáng)聲學(xué)方面開展過一些研究，但他們主要從事航空發(fā)動機(jī)的掩聲、降噪方面的研究工作。目前國防科技大學(xué)具有特色的流體強(qiáng)聲技術(shù)在全國處于領(lǐng)先地位，研究方向涉及強(qiáng)聲物理和技術(shù)、非線性聲學(xué)、水聲物理以及強(qiáng)聲物理防護(hù)研究等。按教育部學(xué)科的分類，該校建立了物理學(xué)一級學(xué)科下的聲學(xué)二級學(xué)科博士點(diǎn)[4]，目前該校聲學(xué)學(xué)科已躋身于湖南省重點(diǎn)學(xué)科之列。

三、聲學(xué)相關(guān)課程的設(shè)置

各個(gè)高校有關(guān)聲學(xué)的研究方向和課程設(shè)置并不相同，有的差別還比較大。在物理學(xué)中，通常把現(xiàn)代物理學(xué)包括在課程設(shè)置中，而聲學(xué)只包括在與信號處理、波傳播和某些非線性現(xiàn)象有關(guān)的部分課程之中。醫(yī)學(xué)、工程學(xué)和建筑學(xué)課程一般只是簡略地提及聲學(xué)，或作為一門選修科目，常常不涉及基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。事實(shí)上，絕大部分聲學(xué)專門人才都已“潛伏”到高度專業(yè)化的領(lǐng)域進(jìn)行研究。目前，聲學(xué)主要研究方向包括物理聲學(xué)、非線性聲學(xué)、強(qiáng)聲學(xué)、光聲信息科學(xué)與技術(shù)、光聲生物醫(yī)學(xué)成像與檢測、聲學(xué)微傳感器與探測技術(shù)、功能材料的光聲效應(yīng)、聲學(xué)超常介質(zhì)材料、超聲物理及聲人工結(jié)構(gòu)、超聲換能器、聲表面波與固體界面聲學(xué)、超聲電子學(xué)、醫(yī)學(xué)超聲、電聲學(xué)、水聲學(xué)、建筑聲學(xué)、通信聲學(xué)、噪聲控制等。其中，物理聲學(xué)是各分支的基礎(chǔ)，它研究各種機(jī)械振動的原理。近年來，非線性聲學(xué)也有引人注目的發(fā)展。與這些研究方向相關(guān)的學(xué)科專業(yè)主要有電子與通信工程、信號與信息處理、傳播學(xué)、水聲工程、地質(zhì)工程、光學(xué)等。

聲學(xué)的交叉學(xué)科問題要求開課單位在聲學(xué)相關(guān)課程設(shè)置時(shí)必須把物理理論及上述各交叉領(lǐng)域方面的專門課程都考慮進(jìn)去。在當(dāng)前聲學(xué)學(xué)科定位下，由于聲學(xué)的多學(xué)科性質(zhì)和在各研究領(lǐng)域中所達(dá)到的專業(yè)化的程度不同，很難擬定出詳細(xì)的各研究方向都通用的聲學(xué)課程表。然而，即便聲學(xué)學(xué)科需要學(xué)習(xí)的課程所涉及的知識面比較廣，為便于各個(gè)研究分支增進(jìn)相互了解，增加各分支間的相互協(xié)作，我們有必要構(gòu)建出一個(gè)符合大眾聲學(xué)基本要求的課程輪廓。筆者通過對國內(nèi)外一些高校的聲學(xué)學(xué)科調(diào)研，對聲學(xué)相關(guān)課程的設(shè)置歸納為數(shù)理基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)及應(yīng)用、相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)和聲學(xué)專業(yè)課四大類，其中，數(shù)理基礎(chǔ)大部分都是高等數(shù)學(xué)、普通物理、數(shù)學(xué)物理方法、理論物理等方面的基礎(chǔ)課程;計(jì)算機(jī)及應(yīng)用方面一般包括計(jì)算機(jī)原理、算法語言及程序設(shè)計(jì)等;側(cè)重點(diǎn)不同的相關(guān)學(xué)科大都另外開設(shè)了不同的基礎(chǔ)課程，例如信號與信息處理學(xué)科一般會開設(shè)現(xiàn)代數(shù)字信號處理、信號處理中的數(shù)學(xué)方法等課程;聲學(xué)專業(yè)課主要有聲學(xué)基礎(chǔ)、理論聲學(xué)、聲學(xué)實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)課程，具有聲學(xué)研究生專業(yè)培養(yǎng)的高校和科研機(jī)構(gòu)，在研究生學(xué)習(xí)階段一般會開設(shè)固體中聲場與波、非線性聲學(xué)、聲學(xué)進(jìn)展、計(jì)算聲學(xué)、聲輻射原理等專業(yè)課程。

四、結(jié)論

聲音無處不在，聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機(jī)械波（即聲波）的科學(xué)，研究范圍包括聲波的產(chǎn)生、接收、轉(zhuǎn)換和聲波的各種效應(yīng)。[5]我國開展聲學(xué)研究有較好的基礎(chǔ)，聲學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的研究要以應(yīng)用技術(shù)、應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)開發(fā)為特點(diǎn)。國內(nèi)高校和一些科研機(jī)構(gòu)需要維持一定數(shù)量的從事聲學(xué)研究和教學(xué)的高層次人才，開設(shè)的課程應(yīng)能夠反映聲學(xué)發(fā)展的國際前沿領(lǐng)域和發(fā)展動態(tài)，所培養(yǎng)的聲學(xué)科技人員應(yīng)具有堅(jiān)實(shí)、系統(tǒng)的聲學(xué)理論基礎(chǔ)和深入的專門知識，掌握相應(yīng)的現(xiàn)代聲學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)?？偠灾?，只要對我國今后聲學(xué)研究工作進(jìn)行合理規(guī)劃并適當(dāng)增加投入，就能夠在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)做出具有創(chuàng)造性的科研成果。

[ 注 釋 ]

[1] 馬大猷，楊訓(xùn)仁.聲學(xué)漫談[M].長沙：湖南教育出版社，1994.

[2] 許肖梅.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3] 宋文淼，王建英.諧振腔中的亥姆霍茲定理及電磁場的本征函數(shù)展開問題[J].電子與信息學(xué)報(bào)，1989（5）：518-527.

[4] 韓開鋒.《彈性波動力學(xué)基礎(chǔ)》專業(yè)課程的教學(xué)改革實(shí)踐體會[J].大學(xué)教育，2012（9）：118-119.

[5] 吳波.物理能量轉(zhuǎn)換世界：探究微妙的聲光電[M].北京：現(xiàn)代出版社，2012.

[責(zé)任編輯：覃侶冰]