声学（英文：Acoustics），来源于希腊语ακούειν，意为“听”。声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。
声学是物理学中最早深入研究的分支学科之一，19世纪瑞利的两卷《声学原理》对早期大量的声学研究成果进行了总结，同时随着机械波产生、传输、接收和测量技术的飞跃发展，自此声学从古老的经典声学进入了现代声学的发展时期。现代声学具有极强的交叉性与延伸性，与许多其他学科、工程技术及艺术领域相融合，形成了一系列诸如水声学、超声学、电声学、环境声学、语言声学等学科方向。
定义
声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。
发展历史
声音的产生
世界上最早的声学研究工作就是在音乐方面。《吕氏春秋》中早有记载：“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，这就是最早的声学定律。比公元前500年，著名数学家、古希腊哲学家毕达哥拉斯（Pythagoras）发现的生律法还要早得多。
毕达哥拉斯发现当把两根拉直的弦底部扎牢时，高音是从短的那根弦发出的。法国人IssacBeeckman早在1618年就发表了他的研究成果，证明了关于基频和谐频之间的关系。但是，彻底解决基频和谐频之间关系的是法国人JosephSauveur，他是第一个使声成为一门学科的人。JosephSauveur意识到两个基频稍有不同的风琴管一起发声时产生节拍的重要性，并且用人耳听起来相差半音的两个风琴管来计算基频。通过实验，他发现当两个风琴管同时发声时，风琴管1s有6个节拍，他得到了两个数据：90次/s和96次/s。1700年，他还利用弦的振动实验计算出了一个给定伸展弦的频率。经典声学的发展离不开数学理论的突飞猛进。正是级数Taylor定理的发明，才第一次给出了振动弦的严格动态解。法国人D.Alembert于1747年给出了振动弦的部分差分方程，他是第一个给出现在人们所参考的行波方程的科学家，他还给出了行波在弦两端传播的通解。
1759年，在给都灵学院的一篇内容广博的论文中，数学家Lagrange决定采用一种他认为与众不同的弦问题解法，他假定弦是由数量有限且空间和质量相等的元段连接而成的，这些元段都来自于没有质量的伸展弦。对管中声传播的研究中最富盛名的是Euler。他和Lagrange做了关于管道中声音幅值问题的研究，1766年，他们发表了一篇关于流体力学的优秀论文，其中第四部分全是有关管道中的声波。J.P.焦耳于1842年发现了磁致现象，真空管振荡器和放大器时代到来了，使得借鉴这些现象制作精确的各种频率和强度的声音发生和接收设备的想法成为了可能。由重叠定理的提示，用正弦和余弦的级数来表示振动弦的初始形状，到了1822年，J.B.J.Fourier在他的分析理论中，提出了对声学发展具有巨大价值的序列扩展理论，上述问题才变得有可能解决。声学的后续发展，从很大程度上来说就是电声学的发展，Rayleigh和他的继承者们对此做出了巨大的贡献。
声音的传播
最早的记录显示，大家都认为声音在空气中的传播是通过空气的运动实现的。亚里士多德强调了空气的运动，他认为声音是压缩空气产生的。Aristotle和他的助手还认为空气不是整个沿声音传播方向流动的，这条结论在当时的科学界很难被理解。1660年，RobertBoyle利用一个很好的气泵做了个试验，得到结论：随着空气的抽出，声音强度明显变小。由此他推断空气是声传播的一种媒介。
空气中的声速
17世纪，法国科学家和哲学家PierreGassendi是已知最早进行空气声速测量尝试的人。他假设光速与声速相比实际上是无限大的，在一个无风的日子里，Gassendi测量了从发现枪的闪光到一定距离外听到枪声之间的时间差。虽然他得到的声速数值太高了，大约是478.4m/s，但他正确地得出了声速与频率无关的结论。在17世纪50年代，意大利物理学家GiovanniAlfonsoBorelli和VincenzoViviani用同样的方法获得了350m/s的更准确的音速值。他们的同胞G.L.Bianconi在1740年证明了空气中的声速随着温度的升高而增加。1738年，巴黎科学院获得了最早的声速精确实验值332m/s。1942年获得了声速的最新值331.45m/s，1986年修正为0℃下的331.29m/s。
水中的声速
1826年，在瑞士的日内瓦湖上，物理学家DanielColladon和数学家J.C.F.Sturn进行了首次实验以确定水中的声速。在他们的实验中，在第一艘船上，一个人往水里放一口钟，敲钟的同时，点燃船上的发射药。在10mi（1mi≈1.61km）远处的第二艘船上，另一个人在水下放一个听声器，当他看到火药发光时记下当时的时间，并测出多长时间后才能听到钟声。Colladon和Sturn使用这种方法相当准确地测定了水中的音速，推动了第二次世界大战后与军事用途有关的水下声学研究。
固体中的声速
1808年，法国物理学家BaptisteBot直接测量了1000m长铁管中的声速，并将其与空气中的声速进行了比较。1864年，另一位法国科学家HenriRegnault发明了一种自动测量声速的方法，同样是用枪来测量，但不依赖于人的反应时间。Regnault用纸覆盖一个旋转的圆筒，并放置一支笔，在圆筒转动时画一条线。接下来，他将笔和两条电路连接起来，一条放在枪前一定距离以外的地方，另一条靠近圆筒，穿过对声音敏感的膜片。当枪开火时，第一个电路断开，使笔跳到旋转圆筒上的一个新位置。当声音通过圆简到达膜片时，笔跳回原来的位置。Regnault知道枪离圆简有多远，圆简转得有多快，他计算出声音在空气中的传播速度为750mi/h，非常接近今天物理学家所认可的速度。
声音的接收
18世纪，已经有许多详细的对人耳的解剖研究，人耳的听觉机制已经被研究得非常透彻。然而，尽管做了很多这类工作，但是没能形成一套完整的可接受的听觉理论。1830年，法国物理学家Savart用风机和旋转齿轮做了一系列研究，确定人耳最低听觉频率为8Hz，最高听觉频率为24000Hz。在1843年，著名的电流定律的创立者GeorgeSimon提出了一个理论：频率一定的、简单的简谐振动能够产生所有的音乐声调，特殊音质或者音品的现场音乐声是由可公度频率的简单音调叠合而成的。此外，人耳有能力把任何复杂音调分解成一系列简单的谐音，这样就可以依据Fourier定理在数学上进行展开。
19世纪，Helmholtz给出了人耳机制的详细阐述，即所谓的共鸣理论：耳蜗基膜的各构成部件对传入耳朵的一定频率的声音产生共鸣。Helmholtz对这种机械共鸣现象产生了巨大的兴趣，并且在研究期间，他发明了一种特殊的声共鸣器，并以他的名字命名。简单来说，这是一个面上有一个小孔的球体。当一个谐波源发出的合适频率的声音传到小孔处时，如果球体的尺寸和小孔都合适的话，声音会由于小孔内声音的强烈振动而被放得非常大。大球体跟低频或者低音调产生共鸣，反之亦然。这种共鸣器在现代声学研究和应用领域被广泛使用。Helmholtz还推测耳膜就是这样一个不对称的振荡器，并据此预测人类有能力探测到音调之和以及其他不同的音调。这个预测已被证实。现代建筑声学的定量研究始于哈佛大学的物理学家Sabine，他在1900年发现了室内混响时间随着房间体积和内部声吸收材料而变化的规律，这使得应用声学知识指导建筑设计成为可能。1877年，Rayleigh出版的《声的理论》象征着经典声学时代的结束和现代声学时代的到来。他的成果对声学科学，特别是分析方面的发展有着不可估量的影响。
声学基础理论
声音
从物理上讲，声是指在任何的弹性介质中传播的扰动，是一种机械。
声压
定量描述声波的基本物理量是声压，它是媒质受扰动后产生的逾量压强，是空间位置和时间的函数，单位是压强的单位Pa。声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压，在一定时间间隔内最大的瞬时声压为峰值声压。一定时间间隔内，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压。描述声压的基本参量是幅度、相位、频率、波长等。
波
波是振动状态的传播，即振动方向、振动位相或振动能量的传播。波的传播并不是介质或物理量本身的向前运动。
波的四要素
波要有波源。波源就是振动源，也叫振源。振动要传播，才能成为波。因此，波比振动要更为复杂些，有四个要素，即除了振动的三个要素——振幅、位相、（振动的）频率以外，还有一个波的传播速度（波长）。简谐波是简谐振动的传播。
机械波、电磁波、物质波
机械波、电磁波都是常见的波，物质波则是物质的一种普遍存在形式。机械振动的传播，即物质质点位置振动的传播，叫作机械波（Mechanicwave）。如水波、声波、地震波等。机械波要通过介质传播。电磁场振动的传播叫作电磁波（Electro-Magneticwave），如无线电、光波等。电磁波的传播不需要空间介质。物质波（Matterwave）是指任何一个物质都可以被看成波。如同光子同时也是光波，电子同时也是电子波一样。
横波、纵波
介质或物理量振动方向与波的传播方向相垂直的波叫作横波。光波是电磁波的一种，电磁波也是横波。横波传播时与波的传播方向是一个垂直的面，在这个面里，振动还可以有不同的方向。介质或物理量的振动方向与波的传播方向相同的波叫作纵波，如声波等。纵波也叫疏密波或压缩波。有许多波同时存在横波和纵波。
波动方程
在声场中，描述声场时间、空间变化规律和相互联系的数学方程即为波动方程，它是各种声学理论研究的基础。为了使研究的问题得到简化，这里仅讨论小振幅声波的情况，相应的波动方程称为线性波动方程。推导该方程的前提条件是：媒质不存在黏性，媒质在宏观上是均匀的、静止的，声波在媒质中的传播为绝热过程。声波的扰动要满足三个基本物理定律：牛顿第二运动定律、质量守恒定律和物态方程。由此可以得到理想流体媒质中的三个基本方程：运动方程、连续性方程和物态方程。
声波
性质
声波的振动是机械振动。声波是在介质中传播的机械波。介质可以是气体、流体、固体或等离子体等，即使是电子乐器由电子振荡器作为振源，你听到的还是到达耳膜的空气的振动或通过人体传递达到耳朵的振动。机械振动是通过介质质点的振动带动相邻的介质质点振动，由此逐步传递的。没有介质，声波就不能传播。
声速
声波的传播有一定速度。在空气中传播的声速与介质的温度有关，即：V=331.5+0.6tm/s其中，t是摄氏度数（℃）。声波在流体中和固体中传播的速度比在空气中传播的速度要快。
吸收、反射与折射
在同一介质中，声波的能量会由于介质的吸收而逐渐衰减。通常利用吸声系数a来描述各种材料（结构）的吸声能力，定义为材料（结构）吸收的声能（含透射声能）与人射到材料（结构）声能的比值。吸声系数不仅与材料的性质有关，还与声波的人射角度、频率有重要的关系。空气作为最典型的传声介质，其吸收作用主要取决于空气的相对湿度和声波的频率。在常温下，湿度越大，空气吸声影响反而越小；而声波频率越高，吸收作用越明显。
声学研究范围
评率范围
声学研究的范围从10-4赫兹开始，每秒钟振动10-4次，一个周期104秒，为次声波。次声频段的声波在大气物理、地球物理学中都有很多的应用，地震以及台风都会产生次声，地震波监测实际上就是次声监测。人类可听声的频段，都为建筑声学的研究范畴，语言、音乐，都是可听声的研究范围。到了2万赫以上的超声频段声波应用于医学领域；另外超声还可以检查材料。
强度范围
声波的强度一般用声压表示，但在表述和使用时很不方便，所以用分贝表示声压的强度。研究声波强度的范围大概是从0~180分贝，一般到180分贝已经很难实现，会产生严重的非线性效应，在实验室条件下可以实现180分贝的声强度。
现代声学
现代声学是在声学研究中应用电子技术而发展起来的，电声学对现代声学的发展起了决定性作用。由于数字技术和大规模集成电路的发展，采用微处理机的测量技术使声学测量的速度和精度都得到提高，并且实现了过去不能采用的许多新的测量方法，例如频谱实时分析，声强测量、相千测量、声源鉴别、信号处理技术等。现代数字技术和实验手段将使现代声学获得进一步的发展。
现代声学中基础理论问题的研究较少，大部分基础理论已比较成熟并在经典声学中有比较充分的发展。声学技术的应用非常广泛，一些应用基础理论在不同范围内的应用研究得较多。声学的媒质范围越来越广泛，包含一切气体、液体和固体，媒质所处的环境也向高温或低温，高压或低压等极端条件伸展。现代声学已广泛渗透到物理学其它分支学科和其它科学技术领域以及文化艺术领城中，形成许多边缘分支学科，各分支学科有相对的独立性，但分支学科之间有交叉，有渗透。现代声学研究工作涉及声子运动，声子和物质的相互作用，可用来研究物质内部结构，所以现代声学既有经典性质，也有量子性质。现代声学的实验条件基于电声测量技术，但由于数字技术和微计算机的应用使研究工作不断深入并开拓新的内容，因此使学科有新的发展。
分支学科
电声学
电声学是研究声能和电能相互转换的原理、技术和应用的科学，过去主要研究电声换能器，利用炭粒之间的电阻，极板之间的电容电磁作用，电动原理，压电效应，驻极体效应；磁致伸缩效应等来设计各种不同的换能器，使用的频率范围低到毫赫以下，高达京赫以上，换能器的设计方法不断得到改进，在可听声频率范围内力求开发宽频带。在电声学中应用研究较多，包括电声换能器的新结构、新工艺、新材料等。电声学可以直接用于通信和广播，由于高质量多通路放声系统的发展和集成电路的使用，电声设备向着宽频带、高效率、低畸变方向发展。一些电声设备中已采用数字技术和大规模集成电路，促进了设备的小型化、数字化和自动化。随着数字技术和大规模集成电路的发展，开创了数字声频技术。
超声学
超声学的主要内容是超声换能器设计和它的应用。早期使用哨和旋笛式超声发声器，机电型超声发声器的出现革新了超声波技术，在机电超声发声器中主要利用磁致伸缩、压电效应、电致伸缩三种物理现象。超声波应用于水下形成了水声学，但是超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。包括超声检测、超声探伤：功率超声、超声处理、超声诊断、超声治疗等。超声在工业中可用来对材料进行检测和探伤）可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查，超声清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化电镀等工艺过程中，超声清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机械加工，使超声在拉管、拔丝、挤压和铆接等工艺中得到应用，应用在医学中的超声诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一。例如超声理疗、超声诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。在农业中，可应用超声对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声处理，有利于种子发芽和作物增产。此外超声的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声水处理、燃油乳化、大气除尘等。微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。在超声探伤方面发展子声发射技术和超声金息技术等。
水声学
水声学在军事上可用来侦察潜水艇，在经济建设中可用水声技术开发和利用海洋资源。例如对水下目标的探测、跟踪和识别，实现水下信息的超距离传播，探查海洋和海底资源，勘探海底石油和矿藏。为了有效地实现水下探测，人们研究了声波在海洋中的传播规律，建立了正确的水声信道模型，揭示了海洋环境因素对声场的影响。海水中声场研究的内容包括：声场的空间结构和声波的衰减规律，波形在传输过程中的畸变，从环境噪声中提取有用信号的技术。此外，水声技术还可用于绘制海底地貌，清理航道，进行水下导航和定位，探测鱼群等，核潜艇出现后，作为反潜防潜的各类声纳系统已成为近代海军不可缺少的设备。水声学的研究已经取得了很大的进展，开发了大型声纳工程及交通航运中民用水声设备，并且已经应用于海洋资源开发。
环境声学
环境污染的产生与发展同人类的生产活动和社会制度密切相关。由于人们认识事物的能力和科学技术水平的限制，在生产发展过程中也带来了环境污染，应该注意，环境污染和防治不但是科学技术问题，也是社会和政治问题。噪声污染是环境保护中主要问题之一，它不仅损害人们的生活和工作环境，影响人们的健康，还妨碍工业的发展。而在特高强度噪声的作用下，金属结构可能产生疲劳和损伤，精密仪器可能失效，对航空航天飞行影响严重。环境声学对金属板材的声疲劳已作了大量研究工作，理论和分析得出的SN曲线可用来设计抗疲劳金属结构对声源发声机理、发声部件以及振动体和声场的分析及计算，无论在理论上或实验技术方面都有进展。在应用基础理论方面，对喷气噪声和撞击噪声的产生机理，大振幅声波的非线性现象，音质评价，噪声的主观评价，强噪声的物理和生物效应等都有进展，有力地改善了噪声环境。
语言声学
语言声学的研究内容包括人类产生语音的机理，言语分析和合成，言语识别，为了描述语音声波的信息要素，提出了频谱、共振峰、跨零点、自相关系数、线性预测系数等概念。对语言信号提出了清晰度、可懂度、清晰度指数、自然度等音质评价概念。清晰度试验是在给定条件下为测量语言可懂度而广泛用于心理声学的方法，既包括语言又包括听觉的直接方法。语言分析是从信号中提取语吉信息成分并将其编码，而语言合成则是利用编码信号来产生语言的过程。语言分析和合成的目的是压缩频带传送语言信号，以节省传输信道。
声学测量中常用仪器
声学测量是研究声学测量技术的科学，包括测量方法和测量仪器两个方面。测量中常用的仪器设备不仅包括各种声信号采集分析设备（例如，声级计、声强仪等），还包括声信号发射设备和调理设备。除了仪器设备，还有消声室、混响室、消声水池和混响水池等声学设施。
扬声器
扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件，作为声源，在室内声环境中不可或缺。扬声器也是完成各种室内声学测量和声学材料（结构）性能测量不可缺少的仪器。
分类
扬声器的种类很多，按换能机理分为动圈式（电动式）、电容式（静电式）、压电式（晶体或陶瓷）、电磁式（压簧式）、电离子式和气动式扬声器等；按频率范围分为低频扬声器、中频扬声器高频扬声器，在音箱中，这些不同频段的扬声器经常作为组合扬声器使用；按声辐射材料分为纸盆式、号筒式、膜片式扬声器等。
构造
电动式扬声器具有电声性能好、结构牢固、成本低等优点，应用广泛。它又分为纸盆式、号筒式和球顶形三种。
实际应用
声呐技术
声呐能够实现水下目标的探测，识别、定位、通讯还有导航等等功能的声学设备，相当于空气中的雷达，雷达是用电磁波来探测飞机等等一些空气中的飞行目标，到了水下就只能用声来探测水面与水下航行的目标。
噪声控制技术
噪声几乎与每个人的生产、生活密切相关，比如说环境噪声的控制，声屏障就是一种比较有效的噪声控制措施。同时在水下既然有了声呐，跟声呐相对的就是怎么样来降低目标的声学强度。另外有一些产品的噪声也迫切需要控制，在生产家电的厂家，都很重视噪声指标，重视新技术在家电噪声控制中的应用。有源噪声与振动控制技术是当前的噪声控制技术中最先进的研究方向，它的物理意义是用声波来抵消声波。有一个需要控制的噪声，不需要再用任何材料和结构，只要能够另外发出一个声波来，使它与噪声的振幅大小一样，而相位相反（振动的方向相反），这两个声波叠加的结果，一个朝前推，一个朝后拉，噪声就被抵消掉了。
语音技术
语音信号处理技术解决的是人机对话的问题，研究语音的识别、合成、编码、翻译、传送等等。语音识别是指从语音到文本的转换，即让计算机能够把人发出的有意义的话音，变成书面语言；所谓语音听写机、语音打字机都是指这一类的语音技术。语音合成是指从文本到语音的转换，也就是要把书面的语言转变为语音，再通过喇叭发出来。这是目前最成熟的语音技术。其他的语音信号处理技术还包括语音增强、回声抵消和噪声抑制等等，都是为了提高噪声环境中语音信号的信噪比，改善语音的传送质量。
电声技术
把电信号转变为声信号，或者把声信号转变为电信号的技术都是电声的研究与应用范畴。当前比较热门的研究主要集中在新概念扬声器，比如强指向性声源和平板扬声器。使用两束很强的超声波，超声是人的耳朵听不见的，使两个超声的频率稍微有一些变化，由于非线性的效应，这两束超声会产生差频信号，差频出来的声音，刚好落在20到2万赫兹之间，人的耳朵就能听见了。因为超声频率很高，它的指向性就很强，而差频出来这个听得见的声音是跟着超声一起传播的，所以它的指向性也很强，而且衰减很慢，因为差频声波是低频的。这种强指向性的音频声源，在许多的场合都非常有用。微型传声器是电声技术发展的又一重要方向，毫米以下大小的微型话筒加上微型的电路和耳机，做成的助听器可以像米粒那么大小，可以毫不费力地塞到耳朵里边去，而不要在外边挂一个盒子。还有直接植入耳朵的电子耳蜗，可以代替聋人的耳蜗，直接产生电信号的刺激。这样的一些新技术用到电声行业，自然可以大大地改善整个的人类生存的环境。
超声技术
超声的应用包括许多方面，医学上超声可以用来治疗，工业上还可以用声波来清除锅炉里面的积灰，可以清洗一些机械的试件。声学电子学也是当前一个非常前沿的技术发展方向，与声学的微机电器件紧密相关。超声无损检测和声能技术是目前应用很广的技术。超声无损检测利用了数字信号处理和超声成像这样一些技术，用在一些与安全直接相关的产品上，意义非常重大。声波除灰技术是强声场在工业中的典型应用，也属于声能技术的范畴。声学测井在石油勘探上已经成为一个很主要的技术手段。它是在勘测的位置产生一个小的地震波，然后在远处布置几个接收点，就可以测出地层下面的结构，判断有没有石油，然后确定这个井该怎么打，对打好的井也可以用声波检查井下的情况。声学微机电器件是指采用微电子工艺技术制造的，工艺特征尺度在微米至毫米之间，由声学、机械和微电子器件构成，或依据声学的原理设计及发生作用的，能够独立完成一定的信号采集、信息处理和驱动控制作用的器件。另外，由于声学对新技术的应用往往超前于技术的发展，声学对新技术会有很大的促进作用。例如，中科院声学所在数字信号处理与网络技术领域也很权威，甚至于发展了VCD、DVD、DAB（数字音频广播）、VoIP（IP网上的语音信号传输）等等新的编解码技术。
参考资料
声学——科学、技术与艺术.中国科学院.2024-11-27
声学科学与技术前沿论坛专题∣《中国科学:物理学 力学 天文学》.腾讯网.2024-11-27
什么是声学?.国际声学产业技术研究院.2024-11-27
现代声学评述.物理杂志.2024-11-29