瑞利出版《声学原理》奠定近代声学基础

瑞利出版《声学原理》

奠定近代声学的基础

世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载，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。三分损益法就是把管(笛、箫)加长1/3或减短1/3，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦作基础。

1957年在中国河南信阳出土了蟠螭文编钟，它是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律，音色清纯，可以用来演奏现代音乐。1584年，明朝朱载堉提出了平均律，与当代乐器制造中使用的乐律完全相同，但比西方早提出300年。古代除了对声传播方式的认识外，对声本质的认识也与今天的完全相同。东西方都认为声音是由物体振动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的听觉。这种认识现在看起来很简单，但是从古代人们的知识水平来看，却很了不起。例如，很长时期内，古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的认识，一直到牛顿的时代，人们对光的认识还有粒子说和波动说的争执，且粒子说占有优势。至于热学，“热质”说的影响时间则更长，直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判。对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的，直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献，而声的传播问题则更早就受到了注意，几乎二千年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比。1635年有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时声速为332米/秒，与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳的情况下，的确是了不起的成绩。

三棱锥模型演示光的散射

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质等，经过复杂而难懂的推导，求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是据此算出的声速只有288米/秒，与实验值相差很大。达朗贝尔于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空气温度不变时，牛顿对声波传导的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容的比)与密度之比，据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10-12瓦/平方米，在1000Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10^-11米)，只有空气分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收能力确实惊人。19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，但至今还未能形成完整的听觉理论。目前对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究。音调与频率的关系明确后，对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究。发现著名的电路定律的欧姆于1843年提出，人耳可把复杂的声音分解为谐波分量，并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下，人们开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学)，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》。在封闭空间(如房间、教室、礼堂、剧院等)里面听语言、音乐，效果有的很好，有的很不好，这引起今天所谓建筑声学或室内音质的研究。但直到1900年赛宾得到他的混响公式，才使建筑声学成为真正的科学。

声在大气中的折射是最早引起人们注意的声学现象之一，对它的研究始于声学的萌芽阶段。为了澄清当时流传的“英国的听闻情况比意大利的好”这一说法，英国牧师德勒姆于1704年同意大利人韦朗尼以实验证明：在适当考虑风的影响之后，这两国的声传播情况并没有什么差别。由此开创了大气声学领域。但是直到19世纪后半叶，大气声学才继续得到发展。19世纪中叶以后，物理学家雷诺、斯托克斯和廷德耳等人分别对风、风梯度和温度梯度的声折射效应，以及大气起伏对声的散射进行了研究。瑞利在其1877年出版的巨著《声学原理》中，对包括这些工作在内的声学研究成果在理论上给予了全面的总结和提高。(https://www.xing528.com)

瑞利

瑞利的研究工作始于电学，此后又更多地研究声学和光学，如研究声学中的共振理论。1877～1878年写成科学名著《声学原理》两卷，为近代声学奠定了基础。他对“天空为什么呈蓝色”作了理论解释，导出了分子散射公式（瑞利散射定律，见光的散射）。他进行了光栅分辨率和衍射的实验研究，第一个对光学仪器的分辨率给出明确的定义，对光谱学的研究起了重要作用。他首次精确测定了气体密度，1895年发现从液态空气中分馏出来的氮，与从亚硝酸铵中分离出来的氮，有极小的密度差异。这一事实导致空气中的一个稀有元素——氩的发现，因而获得1904年诺贝尔物理学奖。瑞利在1900年得出一个关于热辐射的公式，在长波区域，同实验符合得很好，为量子论的出现准备了条件。1872年，他因严重的风湿病不得不去埃及和希腊过冬，同时开始写另外两卷《声学原理》。这部物理学上不朽的名著一直写了六年，直到1877年第一卷才出版。

光的散射

瑞利是注重严格定量研究的物理学家。例如他测量气体密度时，想到玻璃容器受大气压的影响，在充满气体和抽成真空时体积是不一样的，因而所受空气的浮力也是不一样的。他将这微小的差别计算在内，可见他的实验作风极为严谨，对研究结果要求极为精确。由他测定的气体密度值，经过了一百多年，有些还在使用。这种追求至真的作风使得他在测定氮气密度时发现并抓住了“千分位的误差”，从而与拉姆塞共同发现了氩。1905年，瑞利当选为英国皇家学会主席。从1908年直到1919年去世，他都是剑桥大学的名誉校长。

大气声学的内容及应用

声波在大气中传播时同大气相互作用而产生的各种声波传播效应，主要包括衰减、吸收、散射、折射和频散等。研究大气中声波传播规律，可为各类大气中的声学工程提供基础；还可用来探测大气结构和研究大气物理过程，特别是研究边界层结构、强对流的发生发展，以及上下层大气耦合过程等。这方向的研究正和大气重力波等各类波动过程的研究密切结合。