經(jīng)典物理學(xué)的重要分支

周華

我國(guó)關(guān)于聲學(xué)最早的科學(xué)研究來(lái)自于戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的《呂氏春秋》，上記載有“黃帝令伶?zhèn)惾≈褡髀?增損長(zhǎng)短成十二律；伏羲作琴.三分損益成十三音”.意思是將某一標(biāo)準(zhǔn)音的管長(zhǎng)或弦長(zhǎng)增加現(xiàn)有長(zhǎng)度的三分之一或減少三分之一產(chǎn)生的音律聽起來(lái)十分和諧.兩種方法交替使用.各種音調(diào)得以輾轉(zhuǎn)而生.這就是著名的“三分損益法”.1957年在河南信陽(yáng)出土.現(xiàn)存于北京故宮博物院的蟠螭紋編鐘，是戰(zhàn)國(guó)前期制造的樂器.它一共9件，大小不一，按照三分損益法制成，其音階完全符合自然律.音色清純，可以用來(lái)演奏現(xiàn)代音樂.古希臘時(shí)代的畢達(dá)哥拉斯也曾提出類似聲學(xué)定律.不過他是以弦樂作為研究基礎(chǔ)的.

對(duì)聲學(xué)的系統(tǒng)科學(xué)研究始于17世紀(jì)初的伽利略.人們很早就懂得區(qū)別音調(diào)的不同。例如上面所說(shuō)的利用三分損益法來(lái)制作樂器進(jìn)行表演.但在伽利略之前沒有人能說(shuō)出決定音調(diào)高低的實(shí)質(zhì)是什么.伽利略將他的研究成果記載在他晚年完成的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對(duì)話》一書中.伽利略在生活中偶然發(fā)現(xiàn).當(dāng)他用一把鋒利的鐵鑿刮一塊銅板.在發(fā)出強(qiáng)烈尖嘯聲的同時(shí).刮下來(lái)的碎屑會(huì)在銅板上排成一組纖細(xì)的等距離平行條紋.當(dāng)以不同的速度移動(dòng)鐵鑿時(shí).發(fā)出的聲音越尖利.碎屑條紋排列得越緊密.而當(dāng)發(fā)出的聲音較低沉?xí)r這些條紋排列得比較稀疏.他認(rèn)為條紋排列的疏密程度和銅塊振動(dòng)的頻率大小有關(guān).這也間接說(shuō)明了音調(diào)的高低和物體振動(dòng)的頻率有關(guān).伽利略又發(fā)現(xiàn)鋼琴的琴弦振動(dòng)時(shí).與其相差八度或五度的琴弦也會(huì)發(fā)生明顯的振動(dòng).他將這一現(xiàn)象解釋為一根弦的振動(dòng)在空氣中的傳播激起了另一根具有相同振動(dòng)頻率的弦發(fā)生振動(dòng).伽利略于是作出了這樣的總結(jié)：“音調(diào)與物體的振動(dòng)幅度無(wú)關(guān).而是由物體的振動(dòng)頻率決定的.即由撞擊到耳朵鼓膜并使其以同一頻率振動(dòng)的空氣波動(dòng)的脈沖數(shù)目決定.”過去人們知道.對(duì)于一根弦.可以通過改變它的松緊程度、改變橫截面積或改變長(zhǎng)度來(lái)改變它的音調(diào).伽利略的結(jié)論使人們意識(shí)到原來(lái)所做的一切都是為了改變弦的振動(dòng)頻率.

18世紀(jì)初.一位英國(guó)人站在一座教堂的頂端.注視著19 km外正在發(fā)射的炮彈.記錄下炮彈發(fā)出閃光后與聽見炮的轟隆聲之間的時(shí)間.經(jīng)過多次測(cè)量后取平均值.得到的聲速為343 m/s.在當(dāng)時(shí)只能利用人耳和停表的條件下.這一測(cè)量結(jié)果已十分精確.18世紀(jì)中期.巴黎科學(xué)院利用同樣的方法測(cè)得在0℃的環(huán)境下聲速為332 m/s.這與目前最準(zhǔn)確的數(shù)值331.45 m/s相差無(wú)幾.

1827年.瑞士物理學(xué)家科拉頓和他的助手分別坐在日內(nèi)瓦湖相距10 km的兩只船上.他的助手在用錘子敲擊吊在水下的一口鐘的同時(shí).打開船上的閃光燈，坐在另一條船上的科拉頓一手握著他自己設(shè)計(jì)的喇叭形水下接收器.一手持著秒表.測(cè)量從他看見閃光到聽見從水里傳來(lái)的鐘聲為止的時(shí)間.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后.他宣布了水中聲速為1 435 m/s.

第一次測(cè)量聲音在鑄鐵中的速度也是在巴黎進(jìn)行的.方法十分巧妙.在鑄鐵管的一端敲一下.在管的另一端聽到兩次響聲，第一聲是由鑄鐵傳來(lái)的.第二聲是由空氣傳來(lái)的。由于已知聲音在空氣中的速度.利用管長(zhǎng)和兩次聲音的時(shí)間差便可以計(jì)算出聲音在固體中的傳播速度.

其實(shí)早在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中.牛頓就運(yùn)用復(fù)雜而難懂的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出了聲速應(yīng)等于大氣壓與密度之比的二次方根.但根據(jù)牛頓的推導(dǎo)算出的聲速只有288 m/s，與實(shí)驗(yàn)值相差很大.直到1816年.拉普拉斯指出只有在空氣溫度不變時(shí).牛頓對(duì)聲速的推導(dǎo)才正確.

有關(guān)聲學(xué)研究的集大成者是英國(guó)著名物理學(xué)家瑞利.1877年由他著作的兩卷《聲學(xué)原理》出版，這部著作至今仍被奉為聲學(xué)理論研究的經(jīng)典.在當(dāng)時(shí)許多人看了《聲學(xué)原理》之后都認(rèn)為有關(guān)聲學(xué)的所有理論問題都已經(jīng)被解決.剩下的只是一些工程技術(shù)問題.但實(shí)際情況遠(yuǎn)不是這樣.20世紀(jì).聲學(xué)和其他學(xué)科聯(lián)系得越來(lái)越緊密.漸漸出現(xiàn)了專注于聽覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)、聽覺產(chǎn)生機(jī)理研究的生理聲學(xué)和心理聲學(xué)，致力于研究建筑混響、噪聲防治問題的建筑聲學(xué)和環(huán)境聲學(xué).致力于研究聲電信號(hào)轉(zhuǎn)換的電聲學(xué)等.聲學(xué)研究已經(jīng)深深地影響并改變著我們的生產(chǎn)生活.據(jù)統(tǒng)計(jì)幾乎所有的著名物理學(xué)家都研究過聲學(xué).許多諾貝爾獎(jiǎng)獲得者都是學(xué)聲學(xué)出身.聲學(xué)已成為經(jīng)典物理學(xué)中歷史最悠久并且仍處于前沿領(lǐng)域的唯一分支學(xué)科.

責(zé)任編輯 林洋