青春焕发的古老学科——声学 [复制链接]

第3版()
专栏：

青春焕发的古老学科——声学
中国科学院物理研究所研究员 马大猷
声学是很古老的一门学科。人们很早就研究听觉心理和乐器制造。今天我们还可以看到商朝的石磬，西周的编钟，汉初的律管，等等。早在战国以前，人们就总结出规律：把管（笛、箫）截去三分之一或加长三分之一，听起来都很和谐，这在历史上叫做三分损益法，是听觉心理和乐律研究的开始。这说明声学很古老。但是，在另一方面，声学又很年轻，今天除原有领域外，还进入研究人的大脑活动、物质微观结构、整个地球以及天体等科学的前沿。
自从有历史以来，声学一直活跃在科学前沿，这是由声学的性质决定的。什么是声学？声学是研究各种物质中机械波的产生、传播和接收的科学。人们研究物质的性质有三个主要方法，声学方法是其中之一（另外两个是电磁学方法和粒子轰击物质的方法，光波也是一种电磁波）。研究客观世界的物理运动有什么发展，其中就有声学问题。
直到十九世纪末，人们研究声学的最好仪器还是人的耳朵。尽管人的耳朵巧妙无比，但它的频率范围有限，机械波振动太慢或太快，它都听不见。所以声学的研究以可听声为限，频率由二十至二万赫（每秒钟振动的次数）。电子管的出现和发展，情况就完全改变了，到今天我们几乎可以产生和接收任何频率、任何大小的声波（这部分工作叫做电声学）。以前，在海上航行是危险的事，有的大型邮船就是因为遇到冰山，全船沉没的。到第一次世界大战，德国采取无限制潜艇政策，使英、美的航行受到极大威胁。法国进步声学家郎之万就是为了反潜防潜，研究了在水下用较高频率的声波反射。这就把声学研究的频率扩展到超声，从二万到五亿赫，并且创立了水声学和超声学。在水中，声波是唯一可以传播较远的信号，水声设备声纳非常有效，和雷达采用的原理完全一样。水声学特别是由于第二次世界大战，有了很大发展，在反潜防潜航行，水下通信，渔业以及海水结构的研究等方面都是不可缺少的手段。现在人们还谈论根据水声反射信号如何判断反射体的性质，认出什么样是敌人，什么样是自己或友人，什么样是大鱼，等等。声波不仅在水里传得很远，还可以进入任何情况下的任何物质。用超声可以无损坏地检测材料内部的缺陷，测量它的密度、弹性、温度、流速、内耗等。测量原子反应堆的温度、油管内油的种类和流速、反应釜中化学反应的速度，等等。还可以把材料内部照出超声象来。用超声照射植物种子，可以使它早发芽和增加产量，这在我国寒冷、无霜期短的地区实际意义很大。以上的方法也可以用在人体上，检查人体内部器官和病变，“看见”心跳或胎儿活动，治疗某些疾病。
用超声的好处是因为它的波长（等于声速除以频率）短，可以分辨很小的东西。但是频率越高，衰减就越大，传播距离就短。如果是低频率，就可以传得非常远。印度尼西亚的克拉克脱大火山爆发的声音在地球周围转了几圈。当然这声音是听不见的次声，频率从一万分之一赫到二十赫。智利大地震引起的地球振动最低频率是每小时振动一次。用大气中和地下的次声波可以研究台风、海啸、地震预报等，还可以监“视”核爆炸、导弹发射等。次声虽然听不见，但对人也有影响，例如晕船就是由于次声振动引起的，次声对心脏病疗养也不利。这些方面研究得还不够。
比超声频率再高的声音叫做特超声，频率是从五亿赫到一百垓赫，垓是一万亿。有人用激光来激发砷化镓晶体，得到过四十三垓赫的特超声。这时的波长就和一个分子的尺寸相近了。用特超声可以研究声和电子、原子的互相作用，物质在接近绝对零度时的特性如超导体、超液体等。我们知道一根弦有它的固有振动，一弹就是某一个音。我们完全可以用这种宏观概念去研究物质微观世界。声子理论已在物质性质的研究中发挥了很大作用。
次声、超声和特超声的发展，并没有使可听声的研究停止不前，而是发展得更快了。噪声是现代生活中的大事，在环境污染中是一个重要方面。它不仅影响人的工作和休息，还危害到人的健康。噪声还反映机器的质量和效率，所以，噪声的研究和控制，不仅可改进人的生活和工作环境，也可进一步提高工业技术水平。此外，研究噪声对人的影响，将联系到人的神经系统和大脑活动。语言和听觉的研究更是与人的神经中枢有关。语言是人类仅有的最重要的交际工具，和思考有关。人用肺、声带、口腔等的变化发出不同的语音，各种声音到达耳壳，经过外耳、中耳到内耳，耳蜗（形状象蜗牛壳）内听神经末梢，象钢琴的键盘一样，按频率排列，接收不同频率的声音。这些现象和各部分的基本作用原理，现在都清楚了。但进一步则所知几乎是零。人想说一句话，大脑发出什么样的信号使肺、声带、舌、齿、唇等作那样复杂的运动？声音到了内耳，怎么变成神经脉冲？噪声和语言的声波都很复杂，信息量很大，可是神经系统的信息容量有限，如何能传过去？信息到了大脑又如何分辨哪是噪声，哪是语言，采用不同方法处理并最后识别出来？如此等等，都没有答案。声学还要与生理学、心理学以及其它学科结合，探索人的奥秘。音乐声学、厅堂音质和生物声学等也属于这个范畴。