声学

1.1 语源

“声学”一词来源于希腊语ἀκουστικός (akoustikos)，意思是“所听，为了听，或准备听”，而ἀκουστός(akoustios)“听到了，听得见”，则来源于动词ἀκούω(akouo)“我听到”。^[3]

拉丁语同义词是“声音的”，其衍生的术语“声能学”曾是声学的同义词，后来成为声学的一个分支。高于和低于可听范围的频率分别称为“超声波”和“次声波”。

1.2 声学的早期研究

公元前6世纪，古希腊哲学家毕达哥拉斯想知道为什么一些音乐声音的组合听起来比其他的更动听，他在代表弦上谐波泛音系列的数字比率中找到了答案。据说他观察到，当振动弦的长度可以用整数比来表示时(例如2比3，3比4)，产生的音调将是和谐的，整数越小声音越和谐。例如，在其他因素相同的情况下，某一长度的音符听起来与两倍长度的音符特别和谐。用现代音乐的说法，如果一根弦在被拨动时发出音符C，那么一根两倍长的弦发出的声音会比音符C低一个八度。在一个音乐调音系统中，两者之间的音调依次为D 16:9、E 8:5、F 3:2、G 4:3、A 6:5和B 16:15。^[2]

亚里士多德(公元前384-322年)认为声音包括了稀薄空气的压缩以及这些空气“落在并撞击它旁边的空气……”,^[3] 该理论很好地表达了波动的本质。

大约在公元前20年，罗马建筑师和工程师维特鲁威写了一篇关于剧院声学特性的论文，包括对干扰、回声和混响——建筑声学的开端——的讨论。^[4] 在他的《建筑十书》第五卷中，维特鲁威把声音描述为一种波，相当于延伸到三维空间的水波，当被障碍物打断时，它会随着波浪倒流并破碎。他描述了古代剧院中上升的座位是为了防止这种声音的恶化而设计的，并建议在剧院中放置适当大小的青铜容器，以便与第四个、第五个，最高可达双八度等音调共振，从而与更令人合意的和谐音符共鸣。^[5][6][7]

在伊斯兰黄金时代，abrayhān al-Bn(973-1048)相信这样一个假定：声速比光速慢得多。^[8][9]

科学革命时期极其之后，对声学过程的物理认知迅速发展。伽利略·伽利雷(1564-1642)和马林·梅森(1588-1648)，各自独立地发现了振动弦的完整定律(完成了毕达哥拉斯和毕达哥拉斯学派在2000年前开始的工作)。伽利略写道，“声波是由一个高亢的身体振动产生的，它通过空气传播，给耳朵的鼓室带来一种刺激，大脑将其解释为声音”。这是一个非凡的陈述，指出了生理和心理声学的开端。在1630年到1680年间，许多研究者，特别是梅森，成功地进行了空气中声速的测量实验。同时，牛顿(1642-1727)推导了固体中波速的关系，这是物理声学的基石(自然哲学的数学原理，1687)。

1.3 启蒙时代及以后

十八世纪，随着数学家应用微积分新技术来阐述声波传播理论，声学取得了重大进展。在19世纪，数学声学的主要人物是德国的亥姆霍兹，他巩固了生理声学领域，以及英国的瑞利勋爵，他在他的不朽著作《声学原理》(1877年)中将先前的知识与自己对该领域的丰富贡献结合起来。同样在19世纪，惠斯通、欧姆和亨利发展了电学和声学之间的类推。

二十世纪见证了当时大量科学知识的技术性应用的迅速发展。第一个这样的应用是萨宾在建筑声学方面的开创性工作，随后还有许多其他应用。水下声学在第一次世界大战中被用来探测潜艇。录音和电话在全球社会变革中发挥了重要作用。通过使用电子和计算科学，声音测量和分析达到了新的精度和复杂程度。超声波的频率范围使其在医学和工业上有了全新的应用。新型换能器(声能发生器和接收器)被发明并投入使用。

杰伊•普利茨克展馆

在杰伊•普利茨克展馆，LARES系统与分区扩声系统相结合，两者都悬挂在高架钢架上，以合成室外的室内声学环境。

2.1 定义

声学在ANSI/ASA S1.1-2013中定义为“(a)声音科学，包括声音的产生、传播和影响，包括生物和心理影响。(b)一个房间的这些品质共同决定了它在听觉效果方面的特性。”

声学研究围绕机械波和振动的产生、传播和接收展开。

上图所示的步骤可以在任何声学事件或过程中找到。原因有很多种，既有自然的，也有人工的。有许多种转换过程将能量从其他形式转换成声能，产生声波。有一个描述声波传播的基本方程，即声波方程，但是声波所产生的现象是多种多样的，而且往往很复杂。波在整个传播介质中携带能量。最终，这种能量又被转换成其他形式，这种方式可能是自然的和/或人工的。最终的效果可能是纯粹的物理效果，也可能深入到生物学或意志领域。无论我们谈论的是地震，潜艇使用声纳定位敌人，还是摇滚音乐会上演奏的乐队，这五个基本步骤都同样适用。

声学过程的中心阶段是波的传播，这属于物理声学领域。在流体中，声音主要以压力波的形式传播。在固体中，机械波可以分为多种形式，包括纵波、横波和表面波。

声学首先关注声波中的压力水平和频率，以及声波如何与环境相互作用。这种相互作用可以描述为衍射、干涉、反射或三者的混合。如果存在多种介质，也会发生折射。传导过程对声学研究也特别重要。

2.2 波传播:压力水平

在空气和水等流体中，声波作为环境压力水平的波动传播。虽然这种波动通常很小，但人耳仍然可以察觉到。一个人能听到的最小声音，也就是听力阈值，比环境压力小九个数量级。这些扰动的响度与声压级(SPL)有关，声压级以分贝为单位，以对数标度测量。

2.3 波传播:频率

物理学家和声学工程师倾向于用频率来讨论声压级，部分原因是我们的耳朵就是这样解读声音的。我们感受到的“高音”或“低音”是每秒循环次数多或少的压力振动。在声学测量的常见技术中，首先声学信号被及时采样，然后以更有意义的形式呈现，例如倍频程谱或时间频率图。这两种常用的方法都用来分析声音和更好地理解声音现象。

声音的整个频谱可分为三个部分:音频、超声波和次声波。音频范围在20赫兹和20000赫兹之间。这个范围很重要，因为它的频率可以被人耳听到。这个范围的音频有许多应用，包括语音通信和音乐。超声波范围指的是非常高的频率：20000赫兹或更高。该范围具有较短的波长，这使得所成图像具有更好的分辨率。超声和弹性成像等医学应用依赖于超声频率范围。在频谱的另一端，最低频率被称为次声波范围。这些频率可以用来研究地震等地质现象。

频谱分析仪等分析仪器有助于声学信号及其特性的可视化和测量。这种仪器产生的声谱图是压力水平和频率分布随时间变化的的图形显示，它给出了特定声音信号定义上的特征。

2.4 声学中的换能

换能器是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。在电声环境中，这意味着将声能转换成电能(反之亦然)。电声换能器包括扬声器、麦克风、水听器和声纳投影仪。这些设备将声波转换成电信号或将电信号转换成声波。最广泛使用的换能原理是电磁理论、静电理论和压电理论。

大多数普通扬声器(如低音扬声器和高音扬声器)中的换能器是电磁设备，使用由电磁音圈驱动的悬挂振膜产生波动，发出压力波。驻极体麦克风和电容式麦克风采用静电理论——当声波撞击麦克风的振膜时，它会振动并引起电压变化。医学超声检查中使用的超声系统采用压电换能器。它们是由特殊陶瓷制成的，其中机械振动和电场通过材料本身的特性相互关联。

声学专家是声学方面的专家。^[10]

3.1 教育

声学家有很多种类型，但他们通常都有学士学位或更高的资历。一部分人拥有声学学位，而还有一部分人通过物理或工程等领域的研究进入该学科。声学方面的许多工作需要有良好的数学和科学理论基础。许多声学科学家从事研究和研发。有些人进行基础研究，以提高我们对语音、音乐和噪音的感知(如听觉、心理声学或神经生理学)方面的知识。其他声学科学家推动了对声音在环境中传播时如何受到影响的认知，例如水下声学、建筑声学或结构声学。其他工作领域列在下文的分项目下。声学科学家在政府、大学和私营工厂的实验室工作。许多人一直从事声学工程工作。有些职位，如教员(学术人员)需要博士学位。

以下这些子学科是美国声学学会使用的PACS(物理和天文学分类方案)编码中稍加修改所做的列表。^[11]

4.1 考古声学

考古声学，也称为声音考古学，是用我们眼睛以外的感官体验过去的仅有的几种方法之一。^[12]考古声学是通过测试史前遗址(包括洞穴)的声学特性来进行研究。声音考古学家Iegor Rezkinoff通过哼唱和吹口哨等自然声音研究洞穴的声学特性。^[13]声学的考古理论集中于典礼仪式目的以及洞穴中回声定位的方式。在考古学中，声音和典礼仪式直接相关，因为特定的声音意味着让仪式参与者更接近精神觉醒。^[12]洞穴壁画和洞穴的声学特性之间也有相似之处：它们都是动态变化的。^[13]因为考古声学是一个相当新的考古课题，因此今天仍在这些史前遗址进行声学测试。

4.2 航空声学

航空声学研究空气运动产生的噪音，例如飞行器通过湍流，以及声音在流体空气中的运动。这一理论应用于声学工程，研究如何让飞机内安静下来。航空声学对于理解管乐器的工作原理非常重要。^[14]

4.3 声信号处理

声信号处理是对声信号的电子控制。应用包括：主动噪声控制；助听器或耳蜗植入物的设计；回声消除；音乐信息检索和感知编码(例如MP3或Opus)。^[15]

4.4 建筑声学

建筑声学(也称为建筑物声学)包括对如何在建筑物内获得良好声音效果的科学认知。^[16] 它通常涉及对建筑环境中的语音清晰度、语音隐私、音乐质量和减振的研究。^[17]

4.5 生物声学

生物声学是对动物的听觉和叫声，以及动物如何受其栖息地的声音和发声物体影响的科学研究。^[18]

4.6 电声学

这个子学科是关于用电子学来记录、控制和再现音频。^[19] 该学科的研究包括移动电话、大规模公共广播系统和实验室中的虚拟现实系统。

4.7 环境噪音和声音景观

环境声学涉及铁路、道路交通、飞机、工业设备和娱乐活动引起的噪音和振动。^{[20] [21]} 这些研究的主要目的是降低环境噪声和振动水平。现在的研究工作也集中在声音在城市环境中的积极应用：声音景观和降噪静音。^[22]

4.8 音乐声学

音乐声学的研究包括了：声学仪器物理性质；电子音乐中使用的音频信号处理；音乐和作曲的计算机分析，以及对音乐感知和认知的神经科学。^[23]

4.9 心理声学

许多研究已经被开展来确定声学和认知之间的关系，也就是更常见的所谓心理声学。在心理声学中，人们所听到的是感知和生物学方面的结合。^[24] 由声波经过耳朵所获取到的信息是通过大脑理解和解释的，这一过程强调了大脑和声学之间的联系。心理变化被认为是脑电波由于听觉刺激的变化而减慢或加快，这反过来会影响一个人的思维、感觉甚至行为。^[25] 这种关联可以在正常的日常情况下被观察到，在这种情况下，听一首乐观向上的歌会让你的脚开始轻敲，或者一首较慢的歌会让你感到平静和安详。在对心理声学现象更深层次的生物学观察中，人们发现中枢神经系统是由音乐的基本声学特征激活的。^[26] 通过观察包括大脑和脊柱在内的中枢神经系统是如何受到声音影响的，那么声音影响大脑和身体的途径是显而易得的。^[26]

4.10 语音

声学学家研究语音的产生、加工和感知。语音识别和语音合成是使用计算机进行语音处理的两个重要领域。这门学科还与物理、生理学、心理学和语言学等学科重叠。^[27]

4.11 超声波

超声波学研究的是人类听不见的超高频率的声音。超声波学包括医学超声学(包括医学超声检查)、声化学、材料表征和水下声学(声纳)。^[28]

4.12 水下声学

水下声学是对水下自然和人为声音的科学研究。其应用包括声纳定位潜艇、鲸鱼水下通讯、通过声学测量海洋温度的气候变化监测、声波武器^[29] 和海洋生物声学。^[30]

4.13 振动和动力学

振动和动力学是对机械系统如何振动和与其周围环境相互作用的研究。其应用包括：铁路引起的地面振动；手术室里减少振动的隔振系统；研究振动如何损害健康(振动白指病)；保护建筑物免受地震影响的振动控制，以及测量结构声如何在建筑物中传播。^[31]

• 美国声学学会(ASA)
• 欧洲声学协会(EAA)
• 电气和电子工程师学会(IEEE)
• 英国声学研究所(IoA UK)
• 音频工程学会(AES)
• 美国机械工程师学会噪声控制和声学分部((ASME-NCAD)
• 国际声学委员会(ICA)
• 美国航空航天研究所，航空声学分所(AIAA)
• 国际计算机音乐协会(ICMA)

• 声学学报
• 应用声学
• 美国声学学会杂志(JASA)
• 美国声学学会杂志快报(JASA-EL)
• 音频工程学会杂志
• 声音与振动杂志(JSV)
• 美国机械工程师学会-振动与声学杂志
• 超声波学