01

序言

人生來(lái)就能看，能聽(tīng)。

在感官系統(tǒng)中，有些部分并不總是工作，鼻子只有遇到具刺激性的小分子才喚起工作，舌頭接觸到食物方去品嘗，連眼睛也會(huì)閉上休息，似乎只有耳朵無(wú)時(shí)無(wú)刻不在接收信息。就此而言，聲音是人或者一切動(dòng)物從感覺(jué)通道中獲取最多的信息類別。

但是聲音到底是什么，為什么打更的敲了一下鑼，全街道的居民都能聽(tīng)到？聲音是怎么從起點(diǎn)穿過(guò)空氣，抵達(dá)接收者的耳朵的？為什么耳朵能聽(tīng)懂聲音？這些聲音通過(guò)什么方式來(lái)表達(dá)不同的景象？

為何我一聽(tīng)到鐵鍬刮水泥地的聲音就萬(wàn)念俱灰；聽(tīng)到柴可夫斯基的音樂(lè)就感覺(jué)冬天來(lái)了，白雪皚皚的天地間寂靜而純凈；為何人遇到相互理解的人被稱作「知音」……

一個(gè)人半夜敲門(mén)，你問(wèn)誰(shuí)？他回，我。于是你開(kāi)門(mén)讓對(duì)方進(jìn)來(lái)，手扶著半掩的門(mén)探頭出去掃視一眼周圍的環(huán)境再關(guān)上返回屋內(nèi)。接下來(lái)二人的談話壓低聲音，聽(tīng)不清了。

人類之所以區(qū)別于其他動(dòng)物，就在于人能說(shuō)話，通過(guò)語(yǔ)言在發(fā)音上的差異，構(gòu)建起一整套具有復(fù)雜指向性的符號(hào)體系，指認(rèn)萬(wàn)物，彼此互通，以至于人類的思維完全是建立在語(yǔ)言（干脆說(shuō)舌頭和口腔）上的。想一想，你若不用語(yǔ)言，能進(jìn)行思考嗎？

小時(shí)候上學(xué)，老師會(huì)教我們「默讀」，其實(shí)默讀也有一個(gè)聲音在大腦里。聲音的作用簡(jiǎn)直太巨大了。

今天，我們就聊一聊人類對(duì)聲音的研究歷史。你可「聽(tīng)」好了，很有趣。

02

古人對(duì)聲音的研究

其實(shí)早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們就開(kāi)始琢磨聲音的性質(zhì)了。

最早將聲音量化研究的人是公元前六世紀(jì)的古希臘哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯，他通過(guò)單弦琴反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動(dòng)弦的長(zhǎng)度被劃分為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)比例時(shí)，例如 2:1（八度）、3:2（純五度）和 4:3（純四度），就能產(chǎn)生賞心悅目的音樂(lè)和聲。

也就是說(shuō)聲音的和諧是不同音符的結(jié)構(gòu)化結(jié)果，它背后隱藏著數(shù)學(xué)意義上的相互關(guān)系——畢達(dá)哥拉斯就是個(gè)數(shù)學(xué)家。

緊接著，中國(guó)的墨子對(duì)聲音做了更為詳盡的研究?！赌印肥侵T子百家中涉及到諸多科學(xué)研究的著作，其中，《墨子·經(jīng)上》中說(shuō)：「聲，氣動(dòng)也?！拐J(rèn)為聲音是由氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；在《墨子·經(jīng)下》又說(shuō)：「激，聲之所由生也。」意思是聲音是由碰撞沖擊產(chǎn)生的。

墨子不僅搞清了聲音的性質(zhì)和起因，還意識(shí)到空氣是聲音傳遞的條件，若無(wú)氣則無(wú)聲。這與現(xiàn)代聲學(xué)的基本原理（聲波在介質(zhì)中傳播）近乎一致。此外，墨子還研究了聲音的清濁、響度等等，評(píng)述了聲與樂(lè)的關(guān)系。

可以說(shuō)，墨子對(duì)聲音的研究已相當(dāng)完備?？上У氖呛髞?lái)的中國(guó)人沒(méi)有繼續(xù)他的研究。

再兩百年后，古希臘哲學(xué)的集大成者亞里士多德（這人什么都研究）明確提出，聲音的傳播方式是空氣運(yùn)動(dòng)，通過(guò)一系列壓縮和稀疏過(guò)程來(lái)進(jìn)行。這標(biāo)志著人類對(duì)聲音的認(rèn)識(shí)進(jìn)入科學(xué)的范疇了。不過(guò)他有一個(gè)錯(cuò)誤假設(shè)：高頻聲音比低頻聲音傳播得更快。

03

近代聲學(xué)起步與發(fā)展

1636年，法國(guó)博學(xué)家馬林·梅森在著作《宇宙和聲》中較早地闡述綜合性音樂(lè)理論，涉及廣泛的音樂(lè)概念，其中有后來(lái)被稱為「梅森定律」的最早表述，該定律描述了拉伸弦的振動(dòng)頻率，該頻率與弦的長(zhǎng)度成反比（畢達(dá)哥拉斯早已發(fā)現(xiàn)但沒(méi)有量化這一點(diǎn)），與拉伸力的平方根成正比，并且與單位長(zhǎng)度質(zhì)量的平方根成反比。這一弦振動(dòng)定律，為現(xiàn)代音樂(lè)聲學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

1650年代，愛(ài)爾蘭科學(xué)家羅伯特·波義爾（也是一個(gè)什么都研究的人），對(duì)空氣的性質(zhì)非常有興趣，其最重要的成就就是氣體體積與氣體壓強(qiáng)成反比的定律。研究氣體時(shí)，他雇了幾個(gè)壯漢用一個(gè)容器使勁抽真空，通過(guò)對(duì)真空的研究發(fā)現(xiàn)聲音不在真空中傳播，證明了聲音傳播過(guò)程中介質(zhì)（起碼得有空氣或水等實(shí)體）的必要性。

同期的德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W托·馮·格里克曾經(jīng)啟發(fā)了羅伯特·波義爾，并且也對(duì)真空做了系統(tǒng)研究?？梢哉f(shuō)，他們二人共同證明了聲音傳播中介質(zhì)的作用。

1696年，法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·索沃爾創(chuàng)造了「聲學(xué)」一詞，用于描述聲音的科學(xué)，以專門(mén)的術(shù)語(yǔ)和范疇將聲音符號(hào)化和結(jié)構(gòu)化。索沃爾的工作產(chǎn)生了一種更方便、更廣泛的新音樂(lè)語(yǔ)言、一種新的聲音系統(tǒng)。其工作包括研究頻率和音高之間的關(guān)系，對(duì)振動(dòng)弦、調(diào)音音高、泛音、人聲和樂(lè)器的范圍等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他還創(chuàng)建了有關(guān)八度的音程測(cè)量方法。盡管之前馬林·梅森的理論是正確的，但他的測(cè)量方法并不精確，索沃爾通過(guò)使用聲學(xué)節(jié)拍和節(jié)拍器大大改進(jìn)了梅森定律的計(jì)算。

1816年，聲學(xué)研究領(lǐng)域上發(fā)生了一件事，法國(guó)醫(yī)生兼音樂(lè)家勒內(nèi)·萊內(nèi)克發(fā)明了第一臺(tái)聽(tīng)診器，將聲學(xué)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。過(guò)去，歐洲的醫(yī)生都是把耳朵貼在女性胸口聽(tīng)診。有一天醫(yī)院來(lái)了一位特別胖的女士，勒內(nèi)·萊內(nèi)克把耳朵貼在她厚厚的大乳房上什么也聽(tīng)不到。于是他靈機(jī)一動(dòng)把一卷紙卷成一個(gè)圓柱體，一端貼在心臟部位，另一端貼在耳朵上。他驚喜地發(fā)現(xiàn)，這樣一來(lái)能比以前直接用耳朵聽(tīng)到更清晰、更準(zhǔn)確的心臟活動(dòng)。他把自己發(fā)現(xiàn)的聽(tīng)診器材命名為聽(tīng)診器，估計(jì)當(dāng)時(shí)的男性醫(yī)生并不愛(ài)用。

1826年，在瑞士日內(nèi)瓦湖，物理學(xué)家讓-丹尼爾·科拉東（Jean-Daniel Colladon）和數(shù)學(xué)家查爾斯-弗朗索瓦·施圖姆（Charles-Francois Sturm）首次嘗試測(cè)量水中的聲速。在他們的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)谝凰掖系幕鹚廃c(diǎn)燃的同時(shí)，水下鐘聲被敲響，10英里外的第二艘船上觀測(cè)到了鐘聲和火藥的閃光?；鹚庨W光到聲音到達(dá)第二艘船上的時(shí)間被用來(lái)計(jì)算水中的聲速。科拉東和施圖姆用這種方法相當(dāng)準(zhǔn)確地測(cè)定了聲音在水中的速度。

1863年，德國(guó)物理學(xué)家、醫(yī)生赫爾曼·馮·亥姆霍茲出版了《音調(diào)的感覺(jué)》，這本書(shū)深刻影響了20世紀(jì)的音樂(lè)學(xué)家。亥姆霍茲發(fā)明了亥姆霍茲共振器，用于識(shí)別包含多個(gè)音調(diào)的復(fù)雜聲音中純正弦波成分的不同頻率或音高。他證明不同的諧振器組合可以模仿元音。

1877年，英國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者約翰·威廉·斯特拉特、第三代瑞利男爵將前人的知識(shí)與自己在該領(lǐng)域的大量研究貢獻(xiàn)相結(jié)合，撰寫(xiě)了不朽的著作兩卷本《聲音理論》，至今仍被聲學(xué)家和工程師們所使用。

也在1877 年，美國(guó)的托馬斯·愛(ài)迪生發(fā)明了留聲機(jī)，這是世界上第一臺(tái)能錄制和播放聲音的設(shè)備。當(dāng)年5月至7月間，愛(ài)迪生先是構(gòu)思出了錄音和播放的原理，到11月21日，他宣布發(fā)明了第一臺(tái)留聲機(jī)，并于11月29日第一次演示了該裝置，它能夠說(shuō)話。從此，人類的耳朵就進(jìn)入空前享受的新時(shí)代。

1898年，美國(guó)物理學(xué)家華萊士·克萊門(mén)特·薩賓提出了混響時(shí)間公式，奠定了建筑聲學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)。他細(xì)致研究了聲音在空間內(nèi)的傳播，發(fā)現(xiàn)聲學(xué)上合適的音樂(lè)廳的混響時(shí)間為2——2.25秒，最佳演講廳的混響時(shí)間略低于1秒。薩賓利用他的發(fā)現(xiàn)，在福格演講廳內(nèi)部署了吸音材料，以縮短混響時(shí)間并降低「回聲效應(yīng)」，效果極佳。

隨后他受聘擔(dān)任波士頓交響樂(lè)廳的聲學(xué)顧問(wèn)。波士頓交響樂(lè)廳是首個(gè)采用定量聲學(xué)設(shè)計(jì)的音樂(lè)廳，設(shè)計(jì)空前成功，該交響樂(lè)廳被公認(rèn)為世界上最好的交響樂(lè)廳之一。

04

現(xiàn)代聲學(xué)發(fā)展

1906年，英國(guó)海軍的劉易斯·理察森（Lewis Nixon）發(fā)明了第一部聲吶儀，是一種被動(dòng)式的聆聽(tīng)設(shè)備，主要用來(lái)偵測(cè)冰山。該技術(shù)在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)開(kāi)始被應(yīng)用到戰(zhàn)場(chǎng)上，用來(lái)偵測(cè)潛藏在水底的潛水艇。

1915年，法國(guó)物理學(xué)家保羅·朗之萬(wàn)與俄國(guó)電氣工程師康斯坦丁·奇洛夫斯基（Constantin Chilowski）合作發(fā)明了第一部用于偵測(cè)潛艇的主動(dòng)式聲納設(shè)備。

1917年，加拿大物理學(xué)家羅伯特·波義爾（Robert Boyle）制作出用于測(cè)試的原始型號(hào)主動(dòng)聲納。隨后，聲納設(shè)備不斷被生產(chǎn)和用于海軍艦艇。

1931年，美國(guó)人研究出了類似的聲納設(shè)備，稱為SONAR。

1960年代，匈牙利裔美國(guó)生物物理學(xué)家格奧爾格·馮·貝凱西以他對(duì)耳朵和聽(tīng)覺(jué)的研究奠定了耳蝸力學(xué)的基礎(chǔ)。他觀察到基底膜在受到聲音刺激時(shí)會(huì)像表面波一樣運(yùn)動(dòng)。由于耳蝸和基底膜的特殊構(gòu)造，不同頻率的聲音會(huì)導(dǎo)致波的最大振幅出現(xiàn)在耳蝸線圈沿線基底膜的不同位置，高頻會(huì)在耳蝸底部引起更多振動(dòng)，而低頻會(huì)在耳蝸?lái)敹艘鸶嗾駝?dòng)。這些觀察表明不同的聲波頻率在刺激從耳蝸到大腦的不同神經(jīng)纖維之前是如何局部分散的。1961年，他因?qū)Σ溉閯?dòng)物聽(tīng)覺(jué)器官耳蝸功能的研究而獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

來(lái)到21世紀(jì)，隨著深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)、人工智能的爆發(fā)，也使生物聲學(xué)和其他領(lǐng)域的自動(dòng)化分析和監(jiān)測(cè)成為可能。相信在不久的將來(lái)，聲學(xué)研究會(huì)取得更矚目的突破。

05

尾聲

以上就是聲學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)單歷史。想一想，我們的小小耳朵接收聲音，背后有如此復(fù)雜的生物學(xué)和物理學(xué)原理，世界真的是很奇妙。停頓一下，看看你周圍有什么聲音。

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