（转载）建筑声学

陈雷兵 · 发表于 2008-10-27 10:14

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建筑声学是研究建筑中声学环境问题的科学。它主要研究室内音质和建筑环境的噪声控制。

　　有关建筑声学的记载最早见于公元前一世纪，罗马建筑师维特鲁威所写的《建筑十书》。书中记述了古希腊剧场中的音响调节方法，如利用共鸣缸和反射面以增加演出的音量等。在中世纪，欧洲教堂采用大的内部空间和吸声系数低的墙面，以产生长混响声，造成神秘的宗教气氛。当时也曾使用吸收低频声的共振器，用以改善剧场的声音效果。

　　15～17世纪，欧洲修建的一些剧院，大多有环形包厢和排列至接近顶棚的台阶式座位，同时由于听众和衣着对声能的吸收，以及建筑物内部繁复的凹凸装饰对声音的散射作用，使混响时间适中，声场分布也比较均匀。剧场或其他建筑物的这种设计，当初可能只求解决视线问题，但无意中却取得了较好的听闻效果。

　　16世纪，中国建成著名的北京天坛皇穹宇，建有直径65米的回音壁，可使微弱的声音沿壁传播一二百米。在皇穹宇的台阶前，还有可以听到几次回声的三音石。

　　18～19世纪，自然科学的发展推动了理论声学的发展。到19世纪末，古典理论声学发展到最高峰。20世纪初，美国赛宾提出了著名的混响理论，使建筑声学进入利学范畴。从20年代开始，由于电子管的出现和放大器的应用，使非常微小的声学量的测量得以实现，这就为现代建筑声学的进一步发展开辟了道路。

　　建筑声学的基本任务是研究室内声波传输的物理条件和声学处理方法，以保证室内具有良好听闻条件；研究控制建筑物内部和外部一定空间内的噪声干扰和危害。

　　室内声学的研究方法有几何声学方法、统计声学方法和波动声学方法。

　　当室内几何尺寸比声波波长大得多时，可用几何声学方法研究早期反射声分布以加强直达声，提高声场的均匀性，避免音质缺陷；统计声学方法是从能量的角度，研究在连续声源激发下声能密度的增长、稳定和衰减过程(即混响过程)，并给混响时间以确切的定义，使主观评价标准和声学客观量结合起来，为室内声学设计提供科学依据；当室内几何尺寸与声波波长可比时，易出现共振现象，可用波动声学方法研究室内声的简正振动方式和产生条件，以提高小空间内声场的均匀性和频谱特性。

　　室内声学设计内容包括体型和容积的选择，最佳混响时间及其频率特性的选择和确定，吸声材料的组合布置和设计适当的反射面，以合理地组织近次反射声等。

　　声学设计要考虑到两个方面，一方面要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能在建筑空间内均匀分布和扩散，如在厅堂音质设计中应保证各处观众席都有适当的响度。另一方面要采用各种吸声材料和吸声结构，以控制混响时间和规定的频率特性，防止回声和声能集中等现象。设计阶段要进行声学模型试验，预测所采取的声学措施的效果。

　　处理室内音质一方面要了解室内空间体型、所选用的材料对声场的影响。还要考虑室内声场声学参数与主观听闻效果的关系，即音质的主观评价。可以说确定室内音质的好坏，最终还在于听众的主观感受。由于听众的个人感受和鉴赏力的不同，在主观评价方面的非一致性是这门学科的特点之一；因此，建筑声学测量作为研究。探索声学参数与听众主观感觉的相关性，以及室内声信号主观感觉与室内音质标准相互关系的手段，也是室内声学的一个重要内容。

　　在大型厅堂建筑中，往往采用电声设备以增强自然声和提高直达声的均匀程度，还可以在电路中采用人工延迟、人工混响等措施以提高音质效果。室内扩声是大型厅堂音质设计必不可少的一个方面，因此，现代扩声技术已成为室内声学的一个组成部分。

　　即使有良好的室内音质设计，如果受到噪声的严重干扰，也将难以获得良好的室内听闻条件。为了保证建筑物的使用功能，保证人们正常生活和工作条件，也必须减弱噪声的影响。因此，控制建筑环境噪声，保证建筑物内部达到一定的安静标准，是建筑声学的另一个重要方面。

　　噪声干扰，除与噪声强度有关外，还与噪声的频谱持续时间、重复出现次数以及人的听觉特性、心理、生理等因素有关。控制噪声就是按照实际需要和可能，将噪声控制在某一适当范围内，其所容许的最高噪声标准称为容许噪声级，即噪声容许标准。对于不同用途的建筑物，有不同建筑噪声容许标准：如对工业建筑主要是为保护人体健康而制定的卫生标准；而对学习和生活环境则要保证达到一定的安静标准。

　　在噪声控制中，首先要降低噪声源的声辐射强度，其次是控制噪声的传播，再次是采取个人防护措施。噪声按传播途径可分为两种：一是由空气传描的噪声，即空气声；一是由建筑结构传播的机械振动所辐射的噪声，即固体声。空气声会传播过程的衰减和设置隔墙而大大减弱；固体声由于建筑材料对声能的衰减作用很小，可传播得较远，通常采用分离式构件或弹性联接等措施来减弱其传播。

　　建筑物空气声隔声的能力取决于墙或间壁(隔断)的隔声量。基本定律是质量定律，即墙或间壁的隔声量与它的面密度的对数成正比。现代建筑由于广泛采用轻质材料和轻型结构，减弱了对空气声隔声的能力，因此又发展出双层墙体结构和多层复合墙板，以满足隔声的要求。

　　在建筑物中实现固体声隔声，相对地说要困难些。采用一般的隔振方法，如采用不连续结构，施工比较复杂，对于要求有高度整体性的现代建筑尤其是这样。人在楼板上走动或移动物件时产生撞击声，直接对楼厂房间造成噪声干扰。可用标准打击器撞击楼板，在楼下测定声压级值。声压级值越大，表示楼板隔绝撞击声的性能越差。

　　控制楼板撞击声的主要方法是在楼板面层上或地面板与承重楼板之间设置弹性层，特别是在楼板上铺设弹性面层，是隔绝撞击声的简便有效的措施。在工业建筑物中，隔声间或隔声罩已成为广泛采用的降低设备噪声的手段。

　　在机械设备下面设置隔振器，以减弱振动，是建筑设备隔振的主要措施。目前，隔振器已由逐个设计发展成为定型产品。

　　由于室内声学同建筑空间的体积、形状和室内表面处理都有密切关系，因此室内声学设计必须从建筑的观点确定方案。取得良好的声学功能和建筑艺术的高度统一的效果，这是科学家和建筑师进行合作的共同目标。

　　改善建筑物的声环境，必须加强基础研究、技术措施和组织管理措施，虽然重点应放在声源上，但是改变声源往往较为困难甚至不可能，因此要更多地注意传播途径和接收条件。各种控制技术都涉及经济问题，因此必须同有关的各种专业合作进行综合研究，以获得最佳的技术效果和经济效益。

　　其它声学分支学科

　　次声学、超声学、电声学、大气声学、音乐声学、语言声学、建筑声学、生理声学、生物声学、水声学

　　其它物理学分支学科

　　物理学概览、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学

　　其他建筑学分支学科

　　建筑学概述、建筑物理学、建筑光学、建筑热工学、建筑声学、建筑经济学、建筑构造学、建筑设计学、室内声学、室内设计学、园林学、城市规划、土木工程、工程力学、水力学、土力学、岩体力学、滨海水文学、道路工程学、交通工程学、桥梁工程学、水利工程学

[ 本帖最后由陈雷兵于 2008-10-27 10:23 编辑 ]

陈雷兵 · 发表于 2008-10-27 10:15

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。次声是频率低于可听声频率范围的声，它的频率范围大致为1/10000Hz～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插得非常远，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。

次声学的基本内容

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。

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。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。

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。相应地面附近温度较高，因此传播速度较大。

次声测量包括次声接收、记录、探测和分析等。

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置，可是直到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。例如人们利用测定极光产生次声波的特性来研究极光恬动的规律等。

利用接收到的被测声源所辐射出的次声波，探测它的位置、大小和其他特性，例如通过接收核爆炸、火箭发射火炮或台风所产生的次声波去探测这些次声源的有关参量。

预测自然灾害性事件，许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发生前可能会辐射出次声波，因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件。

次声在大气中传播时，很容易受到大气媒质的影响，它与大气中风和温度分布等有密切的联系。因此可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中传播特性的测定，可以探测某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。

通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰。可以通过测定次声波的特性，更进一步揭示电离层扰动的规律。同样，通过测定声波与重力波或其他波动的作用，可以研究这些波动的活动规律。

人和其他生物不仅能够对次声产生某种反应，而且他(它)们的某些器官也会发出微弱的次声，因此可以利用测定这些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。

陈雷兵 · 发表于 2008-10-27 10:16

超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。频率高于人类听觉上限频率(约20000赫)的声波，称为超声波，或称超声。

超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年首次制成超声气哨，此后又出现了各种形式的气哨、汽笛和液哨等机械型超声发生器(又称换能器)。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今还仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。

20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。

材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。

近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(10¹²赫以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射散射等传播规律与可听声波的并无质的区别。超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传描理论已较成熟，然而声波在高速流动的流体媒质中的传播，在液晶等特殊液体中的传播，以及大振幅声波在流体媒质中转插的非线性问题等的研究，仍在不断发展。

当超声在媒质中传播时，由于声波和媒质之间的相互作用，使媒质发生一系列物理的和化学的变化，也出现一系列力学、光学、电、化学等超声效应。

线性交变的振动作用是指由于媒质在一定频率和声强的超声波作用下作受迫振动，而使媒质中的质点位移、速度、加速度以及媒质中的应力等分别达到一定的数值而产生一系列超声效应。当质点速度远小于媒质中的声速时，所产生的机械效应，如悬浮粒子的凝聚、声光衍射、超声在压电或压磁材料中感生电场或磁场等，可用线性声学理论说明，故称为线性的交变机械作用。

由于超声振动的非线性而产生像锯齿波形效应和各种直流定向力，并由此而产生了一系列特殊的超声效应，如超声破碎、局部高温、促进化学反应等等。

当液体中有强度超过该液体的空化阈的超声传播时，液体内会产生大量的气泡，小气泡将随着超声振动而逐渐生长和增大，然后又突然破灭和分裂，分裂后的气泡又连续生长和破灭，这种现象称之为空化。

这些小气泡急速崩溃时在气泡内产生了高温高压，并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡，而在气泡附近的液体中产生了强烈的局部激波，也形成了局部的高温高压，从而产生了超声的清洗、粉碎、乳化、分散、促进化学反应等一系列的作用，同时还伴有强烈的空化噪声和声致发光。在液体中进行的超声处理技术，大多数都与空化作用有关。

以超声为工具，来检验、测量或控制各种非声学量及其变化的超声检测和控制技术。用超声波易于获得指向性极好的定向声束，加上超声波能在不透光材料中传播，因此它已广泛地用于各种材料的无损探伤、测厚、测距、医学诊断和成像等。当前，超声检测这方面的新研究和新应用仍在不断地出现，例如声发射技术和超声全息等等。而采用数字信号处理技术来解决超声检测中以往尚未解决或尚未圆满解决的问题的研究工作，近年来也非常活跃。

超声处理是通过超声对物质的作用而来改变或加速改变物质的一些物理、化学、生物特性或状态的技术。由于使用适当的换能器可产生大功率的超声波，而通过聚焦、增幅杆等方法，还可获得高声强的超声，加上液体中的空化现象，使得利用超声进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、促进化学反应、医疗，以及种子处理等已经广泛地应用于工业、农业、医学卫生等各个部门，并还在继续发展。但很多应用机理至今尚未搞清，有待深入研究。

机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20世纪40年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程及微观谐振过程(如铁磁、顺磁、核磁共振等)之间的关系，从而形成了分子声学的分支学科。

随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，目前已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科——量子声学也正在形成。

超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。

但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断向前发展。

陈雷兵 · 发表于 2008-10-27 10:16

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，较别是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。

电声转换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。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有传声器、扬声器、送受话器、助听器等等。按照换能方式，它们又可以分成电动式、静电式、压电式、电磁式、碳粒式、离子式和调制气流式等。其中后三种是不可逆的，碳粒式只能把声能变成电能，离子式和调制气流式的只能产生声能。而其他类型换能器则是可逆的，即可用作声接收器，也可用作声发射器。

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；而换能器的机械振动系统，以其振动表面与声场相匹配。所以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。例如，一个有效的磁系统可能会非常笨重，变成一种令人不能接受的声障碍物；或者声输入阻抗或电输出阻抗的数值，可能根本不能与周围媒质或附属设备相匹配。由此可见，电声换能器的设计总是在许多相互矛盾的因素中采取折衷的办法，因而在一定程度上可能还带有许多主观判断的技巧在内。

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；以及语言识别和声测等新技术。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，即在各个环带以及整个系统，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。

声频放声装置，可分成四个部分：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；前级控制台(包括前置放大器、衰减器、混合网路等)主要作调音用；功率放大器是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；最后一部分扬声器或耳机是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。

扩声系统主要包括：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，把电信号转变为声信号的扬声器和听众区的声学环境。扩声不同于放声之处是传声器和扬声器处在同一声场内。因此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。

电声学还是一门与人的主观因素密切相关的物理科学，原因是从声源到接收都摆脱不了人的因素。声音是多维空间问题(它包括音调、音色、持续时间、强度、声源方位以及噪声干扰等)，其中每一维变化都对听感有影响。复杂的主观感受并不是任何仪表所能完全反映出来的，这必须联系到生理声学和心理声学、语言声学甚至音乐声学和建筑声学等各个方面的问题，因而形成了电声学的特色和它的复杂性。

社会的发展和生产的需要，对电声学提出了大量的实际和理论问题。因此电声学总的发展趋势是：电声器件和电声设备朝着高保真、立体声、高抗噪能力、高效率、高通话容量的方向发展；还要进行音质评价的研究，改善录放技术以及声音加工技术；新的换能机理的研究以及新材料的开发；提高检测声信号的能力仍是声测技术的主攻方向。

总之，只要发声过程和听感(知觉)过程以及与二者互相联系的物理和生理上的规律不断为人们所掌握，电声学便会不断有新的发展，所以电声学是蕴藏着巨大生命力的学科。

陈雷兵 · 发表于 2008-10-27 10:16

音乐声学是研究乐音和乐律的物理问题的科学。

对乐器和人的发音原理的研究是从激励器、共鸣器、辐射器三大部件来入手，以求得最高的发音效率和优美的音色。简单的响器，其激励、共鸣、辐射合为一体，如锣；电子合成乐器则用电路来模仿激励器和共鸣器，辐射器就是扬声器。

音乐家以音强、音高、音色(或称为音品)作为乐音三大要素，客观上决定任一声音的物理参量是声压、时程和频谱。对乐音而言，声压决定它的强度或响度感觉，频谱决定它的音色。音高在声学上称为音调，由频谱中的基音频率决定。若基音消失，音调的感觉不变，由谐音系列的结构决定。

乐音一般不是稳定持续的周期信号，其时程可分为增长、稳定、衰减三个段落。不同类型的乐音，三个段落的时间不同。例如弹弦音和拨弦音的增长段比拉弦音的短促得多，并且几乎没有稳定段。在增长和衰减段，乐音的频谱与稳定段可以有显著的不同。因此，乐音的音色与时程的关系很大。对乐器的每个部件，都可以分析上述参量，以总结出音质优美的乐器的最佳声学条件。

例如，世界公认最佳的意大利斯特拉迪瓦里小提琴，其物理参量有哪些特色，现在已有了深入的研究。又如研究共鸣良好的歌声，发现其频谱中2.5～3kHz附近有一特殊的共振峰等。此外，各部件之间的耦合对于达到最佳声学条件也很重要。充分了解各部件的振动原理和它们之间的耦合，乐器的制作和研究才有科学根据。

除上述参量外，单件乐器和管弦乐队的声压动态范围、频率范围和长期平均频谱是指导录声(即录音)、调音、重放，使之达到最好听感的基本参量，也属音乐声学的范畴。

对乐音和乐律的研究主要是音调与频率的关系，音程和音阶的频率划分，音程的协和性等。中国早在周代即已广泛通行了琴、瑟一类乐器。在摸索音调与弦长的关系之时逐步创造出一种“钟律”，其中包括著名的“三分损益法”。这种生律法在春秋时期已经用来调钟。这个乐律是世界上最早的自然律。这是中国古人对音乐声学的重大贡献，比传说的毕达哥拉斯(公元前500年)生律法早得多。

曾侯乙墓出土的战国初年编钟，证明中国非但最早在律制上有科学的发明，而且最早确定了调音的基准频率，掌握了乐器的调音技术。甚至更早在商周时代即已创造出一钟二音(一个钟能发出两个基音)，这是音乐史上的奇迹。

除律制外，中国古代对泛音系列的发现和在乐器演奏时的应用，管乐器音调的管口校正法，簧、管耦合的原理和控制技术等方面都有重要贡献。

任何声音在产生出来之后，接着是传输(包括录制和重放)和接收的问题。乐音的传输是电声学和厅堂声学的内容。乐音的接收，须计及人的心理感受亦即主观评价，这是心理声学的一部分。它们虽不属于音乐声学范围，但却与音乐声学紧密相联，至关重要。录制或重放设备或技术的缺陷，往往会破坏优美动听的音乐节目的色彩；一件原来不够完善的乐器，其声音效果也可通过调音在一定程度上来补救。

欣赏音乐时，环境的声学条件也可能造成乐音的失真。至于人对乐音的心理感受，则除了响度与声压级的关系、音调与频率的关系、掩蔽效应、声像定位效应等人类的共性之外，还与人的爱好及音乐素养有关。讨论研究音乐声学须涉及这些相关的学科。

陈雷兵 · 发表于 2008-10-27 10:17

语言声学也称为语言通信，是近代声学中的一个分支学科，是用声学方法研究语言的产生、传递、接受和转换的一门科学。

语言是既具有自然属性又具有社会属性的复杂的信号系统。声学方法不但直接用于研究语言信号的声学特性本身，而且用于研究语言的心理特性和生理特性。语言分析、合成和感知是语言声学研究的主要方法。在研究语言时，声学特性是主要的；在研究音节时，便要考虑到音节结构；而在研究词句时，则又需要考虑语法和语意。因此，在语言声学研究中，还涉及到语言学和信息论。

早在一二千年以前，人们便对语言进行了研究。由于没有适当的仪器设备，长期以来，一直是由耳倾听和用口模仿来进行研究。因此，这种语言研究常被称为“口耳之学”，所以对语声只是停留在定性的描写上。

19世纪60年代，亥姆霍兹应用声学方法对元音和歌唱进行了研究，从而奠定了语言声学的基础；1876年电话的发明，以及电话通信的飞速发展，促进了语言信号的声学特性及其与语言感知的关系的研究。电子技术的发展，为语声的定量研究，提供了有力的手段。

20世纪40年代，一种语言声学的专用仪器——语图仪问世了。它可以把语声的声学特征用语图表示出来，从而得出了“可见语言”。这对语言声学的发展作出了重要贡献。50年代对语言产生的声学理论开始有了系统的论述，到了60年代语言声学研究得到了计算技术的帮助，使得过去受人力、时间限制的大量的话声统计分析工作，得以在电子计算机上进行。在此基础上，语言声学不论在基础研究方面，还是在技术应用方面，都取得了突破性的进展。

反过来，电子技术和计算技术的发展，又对语言声学提出了新的课题。当前，计算机的语言输入和语言输出、自动应答装置、自动语言识别、嗓音鉴别、语言理解系统等，都迫切需要对语言信号的许多基本问题作出新的解答。

根据声学观点，语言的产生可分成三个部分：声源激励、声道调制和声波辐射，其中决定语声性质的是声源激励和声道调制。语言产生的研究内容包括：激励声源的特性、发声器官的工作状态和声道的声学性质等。所采用的研究方法，大多是用电-力-声类比的方法，以建立声带波产生的模型、声道模型和语言产生的参量模型。

实验表明，由声道形状决定的共振峰，是主要的信息要素。目前，从语声中准确地分离出声源特性和声道调制特性来，还存在许多困难。为研究语言的产生，除对语声的物理特性进行研究之外，还对发声生理进行研究，如利用肌电图配合声学测量，来研究发声器官的肌肉活动。

语言分析是用分析的方法来研究语言的自然特性。其主要内容是：分析语声的时间特性和频率特性，以及发声器官的发声分析。语声的时间特性和频率特性包括：波形、长度、强度随时间的变化、短时间相关函数和功率谱、短时频谱分析、长时平均功率谱、共振峰分析和基频分析等。在说话时，语声是处在语流之中的。从一个短暂的时间窗口去观察语声的声学特性，便是短时频谱分析，而长时平均频谱则表示语言的统计平均特性。共振峰分析，是根据语音的频谱和语言产生的原理，推算出声道的共振频率。

基频分析，是从语言波中提取出声带振动的基本频率，其方法既可以是测量基频本身，也可以是利用谐波来求出基频。基频随时间的变化方式，构成了声调和语调，它们是重要的语声特征。在专用的语言分析设备问世以前，曾采用浪纹计和示波器分析语言波形，以后又使用滤波器组或频率分析仪。但是，对于大量的多变的语声来说，这些分析方法都有很大的局限性。因此，对语言特性的认识也受到一定的限制。

40年代出现的语图仪，可以把可听的语言描绘成可见图样——语图。这便是所谓“可见语言”。语图可以表现语声的三维特性，横轴代表时间，纵轴代表频率，而黑度代表强弱。语言频谱显示设备可以在一个电视屏幕上把说的话用语图的形式显示出来。此外，还发展了许多用于语言分析的专用软件，以便于利用计算机进行语言分析。

用人工模拟语言产生的过程，以合成出语言来，供直接应用或进行研究。最初是用机械的方法来模拟人讲话。在18世纪便做出了可以产生连续语言的机器。一直到20世纪30年代还在研制结构更为复杂的机械发声装置。它们所发出的语声的音质都很不好。

1939年出现了所谓语言合成仪。它是用电子线路来模拟发声器官的动作。其工作方式很像电子琴。一个受过训练的人，可以用它“演奏”出可以听懂的语言。另一种语言合成方法称为语图还音。把语图用墨线画在透明胶带上，再用一个音轮调制线光源来照射走动的胶带。根据胶带透射过去的光通量的变化放出语声来。由于在绘制语图时改动方便，所以语图还音装置曾在语言合成中起过重要作用。

20世纪50年代开始采用传输线来模拟声道。既可以整体模拟，也可以分段模拟。由一个适当的电源激励，经过放大器和扬声器，便可发出语声来。改变传输线的参量，便可以发出不同的语声。现在，利用电子计算机，根据语言产生的原理，把它写成一些发声规则和参量，再将其组合成语言。

自动语言识别是根据语言信号的声学待征，有时加上语言的结构规则和语意线索，由机器认出输入的语言来。可以根据使用要求，由机器以不同的方式作出响应，如打印出与该语声相应的文字、符号，完成规定的动作等。它分为孤立单词自动识别和连续语言自动识别，自20世纪50年代开始系统而广泛的研究。对单个人小量词汇的自动识别已取得了较大的进展；但是，在更换发话人和扩大词汇容量方面现在还有困难。

自动语言识别的实现，面对着三个重大的语言声学基础课题：首先，语言知觉的基本单位是什么，是音素、音节还是单词；其次，是否存在音素的心理常量，如果有，它是什么；最后，如何对连续语言进行分段。

现在，有限词汇的、在一定条件下适用的自动语言识别装置，已进入实际应用。适用于多数发话人的、不怕环境噪声干扰的和无限词汇的自动语言识别系统还有待于大量的基础研究。

嗓音鉴别也称为发话人鉴别，它包括两个方面：发话人鉴定和发话人辨别。发话人鉴定是根据发话人已有贮的嗓音(口声)材料，与发话人现时提供的材料相比较，鉴定是不是发话人本人在说话。这可用于银行业务中，存款人用嗓音代替印鉴，以便于通过电话来办理存取手续。发话人辨别是从大量的已有的嗓音样本中，辨别出哪一个与发话人的嗓音最相似或者与它们都不相似。

与自动语言识别不同，嗓音鉴别在于利用语声当中代表发话人个性特征的部分，而自动语言识别则是利用不同发话人或同一发话人在不同时刻发同一语声时的共性特征。嗓音鉴别多采用听音-看图法，即由有训练的专业人员审听嗓音材料、检视语图特征——声纹，以作出判断。嗓音鉴别已在法律程序中作为一种证据使用。

声码器是达德利在1939年发明的，由于语音质量较差、体积庞大、造价高昂，以致很长时间未能获得广泛应用。近年来，应用大规模集成电路做成的声码器，已可随身携带，其音质与普通电话相仿。因而不只可用于政府首脑通信和军事通信，而开始进入商用通信。

根据工作原理，声码器分为：通道声码器、半声码器(语声激励声码器)、相关声码器、谐和声码器、共振峰声码器、线性预测声码器和同态声码器等多种，发展较多的是通道声码器和线性预测声码器。用声码器来压缩语言信号的数码率，是实现人-机对话的重要手段。