声学基础声学基础声学基础声学基础蒋伟康蒋伟康蒋伟康蒋伟康蒋伟康蒋伟康蒋伟康蒋伟康Email: wkjiang@上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院1振动、冲击、噪声研究所振动、冲击、噪声研究所声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础绪论绪论1 绪论绪论2 声波的基本性质声波的基本性质2 声波的基本性质声波的基本性质3 管道声学管道声学4 声波的辐射声波的辐射声波的接收与散射声波的接收与散射5 声波的接收与散射声波的接收与散射6 室内声学室内声学6 室内声学室内声学2声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础声学基础第第第第1 1章章 绪绪 论论章章 绪绪 论论1.1 声与噪声的概念声与噪声的概念声学发展历史声学发展历史1.2 声学发展历史声学发展历史1 3 声学研究范畴声学研究范畴1.3 声学研究范畴声学研究范畴1.4 课程内容课程内容1.5 参考书目参考书目3第第1章 绪 论章 绪 论声声：：1.1 声与噪声的概念声与噪声的概念声声：：声音的世界：自然界中的声音, 音乐，语言，噪声 波动现象，曾发生过波动说和粒子说的争论声音的世界：自然界中的声音, 音乐，语言，噪声 波动现象，曾发生过波动说和粒子说的争论 声波：在弹性媒质中传播的扰动声音：人耳可听声声波：在弹性媒质中传播的扰动声音：人耳可听声 声源声源媒质媒质受者受者声源声源——媒质媒质——受者受者 物体振动物体振动——媒质传播媒质传播——听觉器官或传感器产生反应 一种物质波，需要媒质（光波，无线电波为电磁波）听觉器官或传感器产生反应 一种物质波，需要媒质（光波，无线电波为电磁波）噪声的定义噪声的定义：：生理学：不需要的声音。
与时、人、环境、目的有关）生理学：不需要的声音 与时、人、环境、目的有关） 物理学：不协调音为噪声，协调音为乐音 噪声：频率、声强不同声波的无规则组合物理学：不协调音为噪声，协调音为乐音 噪声：频率、声强不同声波的无规则组合 噪声噪声对人起作用的不愉快声对人起作用的不愉快声人人声声4噪声噪声：：对人起作用的不愉快声对人起作用的不愉快声人人——声声第第1章 绪 论章 绪 论1.1 声与噪声的概念声与噪声的概念声学（声学（Acoustic））研究声波的产生、传播、接收和效应的科学, 关于声 音的学问研究声波的产生、传播、接收和效应的科学, 关于声 音的学问应用声学科学原理改造人类的物质环境应用声学科学原理改造人类的物质环境51.21.2 声学发展历史声学发展历史第第1章 绪 论章 绪 论 1.21.2 声学发展历史声学发展历史 灿烂的古代声学灿烂的古代声学灿烂的古代声学灿烂的古代声学最早的声音研究最早的声音研究：自然声：自然声 音音、、人类声音人类声音、、语言语言、、音音、、人类声音人类声音、、语言语言、、 音乐、乐器，房间声学 特性音乐、乐器，房间声学 特性声波和水波声波和水波的类比，共振、 天坛的类比，共振、 天坛古代乐器，编钟，调音乐律：古代乐器，编钟，调音乐律：三分损益法三分损益法6第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史经典声学发展史经典声学发展史经典声学发展史经典声学发展史人们常将人们常将1818，，1919世纪欧洲的声学发展称之为经典世纪欧洲的声学发展称之为经典人们常将人们常将1818，，1919世纪欧洲的声学发展称之为经典世纪欧洲的声学发展称之为经典 声学声学这里主要从经典声学对声音的产生，传播和接收 三这里主要从经典声学对声音的产生，传播和接收 三方面的研究分别来介绍方面的研究分别来介绍18，1918，19世纪这近世纪这近200200方面的研究分别来介绍方面的研究分别来介绍世纪这近世纪这近 多年的历史中，这些伟大的科学家们对声音的多年的历史中，这些伟大的科学家们对声音的 探索和认识探索和认识探索和认识探索和认识7第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史 声音的产生声音的产生通常认为最早研究乐器声音起通常认为最早研究乐器声音起 源的人是希腊哲学家源的人是希腊哲学家彼得 格拉斯彼得 格拉斯Pythagorasyg他发现当把两根拉直的弦底部他发现当把两根拉直的弦底部 扎牢时扎牢时，，高音是从短的那高音是从短的那扎牢时扎牢时，，高音是从短的那高音是从短的那 根弦发出的根弦发出的8第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史 声音的产生声音的产生意大利的意大利的伽利略伽利略(Galileo Galilei) 在在 17世纪初作了单摆及弦的研究，世纪初作了单摆及弦的研究， 得到得到单摆的周期及弦的振动发声单摆的周期及弦的振动发声 特性特性。
特性特性发现发现钟摆的周期钟摆的周期与振幅无关，而只与振幅无关，而只 依赖于决定振动频率的悬线长度依赖于决定振动频率的悬线长度，，依赖于决定振动频率的悬线长度依赖于决定振动频率的悬线长度，， 强调了频率的重要性强调了频率的重要性发现发现弦振动频率弦振动频率依赖于弦的长度依赖于弦的长度，，发现发现弦振动频率弦振动频率依赖于弦的长度依赖于弦的长度，， 紧绷度和密度紧绷度和密度9第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的产生声音的产生法国人法国人IssacIssac BeeckmanBeeckman法国人法国人Issac BeeckmanIssac Beeckman (1588-1637)早在1618(1588-1637)早在1618 年证明了他关于基频年证明了他关于基频年证明了他关于基频年证明了他关于基频 和谐频之间的关系的和谐频之间的关系的 想法，并给出了它的想法，并给出了它的 特征参量特征参量特征参量特征参量10第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的产生声音的产生彻底解决彻底解决基频和谐频之间关系基频和谐频之间关系的是法国人的是法国人索沃索沃Joseph Sauveur(1653-1716)Sauveur(1653 1716)发现了发现了拍音拍音，意识到两个基频稍有不同的风琴管一起发，意识到两个基频稍有不同的风琴管一起发 生时产生节拍的重要性生时产生节拍的重要性，，并用人耳听起来相差半音的并用人耳听起来相差半音的生时产生节拍的重要性生时产生节拍的重要性，，并用人耳听起来相差半音的并用人耳听起来相差半音的 两个风琴管计算基频。
两个风琴管计算基频1700年，利用弦的振动实验计算出一个年，利用弦的振动实验计算出一个给定伸展弦的频 率给定伸展弦的频 率第一个提出“第一个提出“Acoustic”的名词的名词11第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史 声音的产生声音的产生英国数学家英国数学家泰勒泰勒于1713年提出于1713年提出泰勒泰勒 无穷级数定理无穷级数定理无穷级数定理无穷级数定理经典声学的发展离不开数学理论的经典声学的发展离不开数学理论的 突飞猛进，正是无穷级数泰勒定 理的发明，我们才可以第一次给突飞猛进，正是无穷级数泰勒定 理的发明，我们才可以第一次给 出出振动弦的严格动态解振动弦的严格动态解12第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的产生声音的产生法国人法国人达朗贝尔达朗贝尔d’Alembert 通常被誉为第一个以我们通常被誉为第一个以我们通常被誉为第一个以我们通常被誉为第一个以我们 现在所参考的行波方程的现在所参考的行波方程的 形式，于形式，于1747年给出振动年给出振动 弦的部分差分方程弦的部分差分方程他也他也弦的部分差分方程弦的部分差分方程他也他也 得到了得到了行波在弦两端传播行波在弦两端传播 时的通解时的通解时的通解时的通解13第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史 声音的产生声音的产生伟大的数学家伟大的数学家拉格朗日拉格朗日Lagrange 于于1759年在给都灵学院的一篇年在给都灵学院的一篇于于1759年在给都灵学院的一篇年在给都灵学院的一篇 内容广博的论文中，采用了一内容广博的论文中，采用了一 种与众不同的弦问题解法种与众不同的弦问题解法，，他他种与众不同的弦问题解法种与众不同的弦问题解法，，他他 假定弦是数量有限且空间和质假定弦是数量有限且空间和质 量相等的元段连接而成的量相等的元段连接而成的，，这这量相等的元段连接而成的量相等的元段连接而成的，，这这 些元段都来自于没有质量的伸些元段都来自于没有质量的伸 展弦展弦。
展弦展弦14第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史 声音的产生声音的产生对管中声传播的研究中最富盛名的是对管中声传播的研究中最富盛名的是 瑞士著名数学家瑞士著名数学家欧拉欧拉Euler，，当时的当时的瑞士著名数学家瑞士著名数学家欧拉欧拉Euler，，当时的当时的 Euler年仅年仅20岁，关于管道的意义的岁，关于管道的意义的 本质特征的研究水平实际已达到了本质特征的研究水平实际已达到了本质特征的研究水平实际已达到了本质特征的研究水平实际已达到了 现在的水平现在的水平不仅如此不仅如此，，在棒在棒、、膜的振动方程膜的振动方程不仅如此不仅如此，，Euler在棒在棒、、膜的振动方程膜的振动方程 的建立与求解也有很多建树的建立与求解也有很多建树1850年，年，基尔霍夫基尔霍夫G.R.Kirchhoff求得 板的严格解求得 板的严格解15第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的产生声音的产生由重叠定理的提示用正余弦的无由重叠定理的提示用正余弦的无 穷级数来表示振动弦的初始形穷级数来表示振动弦的初始形穷级数来表示振动弦的初始形穷级数来表示振动弦的初始形 状，在状，在18世纪中叶的数学水平世纪中叶的数学水平 下是很困难的下是很困难的。
下是很困难的下是很困难的傅立叶傅立叶Fourier在他的分析理论中，在他的分析理论中， 提出了对声学发展具有巨大价提出了对声学发展具有巨大价提出了对声学发展具有巨大价提出了对声学发展具有巨大价 值的序列扩展理论，上述问题值的序列扩展理论，上述问题 才变得有可能解决才变得有可能解决16第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的产生声音的产生声音的产生剩下的历史，从很大程度上来说就是电声声音的产生剩下的历史，从很大程度上来说就是电声 学的发展学的发展，，瑞利瑞利Rayleigh和他的继承者们对此作出和他的继承者们对此作出学的发展学的发展，，瑞利瑞利yg 和他的继承者们对此作出和他的继承者们对此作出 了巨大贡献了巨大贡献17第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的传播声音的传播最早记录显示，大家认为声音在最早记录显示，大家认为声音在 空气中的传播是通过空气的运空气中的传播是通过空气的运空气中的传播是通过空气的运空气中的传播是通过空气的运动实现的动实现的亚里士多德亚里士多德A i t tl 认为声音是认为声音是亚里士多德亚里士多德Aristotle认为声音是认为声音是 压缩空气产生的，无确切的声压缩空气产生的，无确切的声 波概念波概念，，他和助手都认为空气他和助手都认为空气波概念波概念，，他和助手都认为空气他和助手都认为空气 不是整个沿传播方向流动的，不是整个沿传播方向流动的， 这个使得当时科学界很难理解这个使得当时科学界很难理解18第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的传播声音的传播1660年年，，波意略波意略利用气泵抽取空气利用气泵抽取空气，，发现声音强度明发现声音强度明1660年年，，波意略波意略利用气泵抽取空气利用气泵抽取空气，，发现声音强度明发现声音强度明 显变小，由此推断空气是声传播的一种媒介。
显变小，由此推断空气是声传播的一种媒介19第第1章 绪 论章 绪 论1.2 声学发展历史声学发展历史声音的传播声音的传播确认了空气是声传播的媒介后确认了空气是声传播的媒介后，，问题产生了问题产生了：：确认了空气是声传播的媒介后确认了。