物理聲學

物理聲學是研究聲學中基本問題的科學，是聲學中最主要的分支學科之一。

基本介紹

名稱：物理聲學
國際譯名：Physical acoustics
物理聲學是研究媒質中機械波的產生、傳播、接收和效應的科學。媒質包括物質各態（固體、液體和氣體等），可以是彈性媒質也可以是非彈性媒質。機械波是指質點運動變化（包括位移、速度、加速度中某一種或幾種的變化）的傳播現象。機械波就是物理聲波。

物理聲學成果及科研課題

物理聲學包含.超聲學.水聲學。聲學是古老又年輕的學科，因為它有悠久的歷史，並且近代聲學研究已經廣泛滲入到科學研究、國民經濟以及國防建設等各個領域，並形成了一些新的交叉學科。物理聲學的領域開展了大量套用問題的研究，如超聲馬達的研究得到國家多項基金的支持，中國在2001年研製出當時世界上最細的彎曲鏇轉超聲馬達。在基礎研究方面，中國物理學家曾在液晶非線性動力學問題的研究中，發現指向波，獲國家教委科技進步獎。
物理聲學在中國的研究工作中已經發表論文約二百餘篇。物理聲學領域已經取得國家發明專利近二十項，聲學領域的研究大多數得到各類基金或企業的支持，迄今物理聲學領域十多項課題獲得國家級、部委級獎勵。
現代中國物理聲學領域主要研究課題：超聲馬達、熱聲製冷、聲致發光、時空有限的波在界面上的反射和透射、廳堂聲混響、磁流體聲波以及聲波在工程檢測中的套用等問題的研究。

物理聲學發展歷史

物理聲音是人類最早研究的物理現象之一，聲學是經典物理學中歷史最悠久而當前仍在前沿的唯一分支學科。從上古起直到19世紀，都是把聲音理解為可聽聲的同義語。中國先秦時就說：“情發於聲，聲成文謂之音”，“音和乃成樂”。聲、音、樂三者不同，但都指可以聽到的現象。同時又說“凡響曰聲”，聲引起的感覺（聲覺）是響，但也稱為聲，與現代對聲的定義相同。西方也是如此，acoustics的詞源是希臘文akoustikos，意思是“聽覺”。世界上最早的聲學研究工作在音樂方面。 河南信陽出土的“帠佀”蟠螭文編鐘

《呂氏春秋》記載，黃帝令伶倫取竹作律，增損長短成十二律；伏羲作琴，三分損益成十三音。三分損益法就是把管(笛、簫)加長三分之一或減短三分之一，聽起來都很和諧，這是最早的聲學定律。傳說希臘時代，畢達哥拉斯也提出了相似的自然律(但是用弦作基礎)。中國1957年河南信陽出土的“帠佀”蟠螭文編鐘是為紀念晉國於公元前 525年與楚作戰而鑄的。其音階完全符合自然律，音色清純，可以用來演奏現代音樂，這是中國古代聲學成就的證明。在以後的2000多年中，對樂律的研究有不少進展。
明朝朱載堉於1584年提出的平均律，與當代西方樂器製造中使用的樂律完全相同，但比西方早提出300年。古代除了對聲傳播方式的認識外，對聲本質的認識與今天的完全相同。在東西方，都認為聲音是由物體運動產生的，在空氣中以某種方式傳到人耳，引起人的聽覺。這種認識現在看起來很簡單，但是從古代人們的知識水平來看，卻很了不起。例如，很長時期內古代人們對日常遇到的光和熱就沒有正確的認識，一直到牛頓的時代對光還有粒子說和波動說的爭執，而粒子說取得優勢。至於熱，“熱質”說的影響時間則更長，直到19世紀後期，F.恩格斯還對它進行過批判。
對物理聲學的系統研究是從17世紀初伽利略研究單擺周期和物體振動開始的。從那時起直到19世紀，幾乎所有傑出的物理學家和數學家都對研究物體振動和聲的產生原理作過貢獻。聲的傳播問題則更早就受到注意，幾乎2000年前中國和西方都有人把聲與水面波紋相類比。1635年就有人用遠地槍聲測聲速，假設閃光傳播不需時間。以後方法不斷改進，到1738年巴黎科學院用炮聲測量，測得結果折合到0°C時，聲速為332m/s，與最準確的數值331.45m/s只差1.5‰，這在當時“聲學儀器”只有停表和人耳和情況下的確是了不起的成績。牛頓在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中根據推理：振動物體要推動鄰近媒質，後者又推動它的鄰近媒質，等等，經過複雜而難懂的推導求得聲速應等於大氣壓與密度之比的二次方根。L.歐拉在1759年根據這個概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結果。但是由此算出的聲速只有288m/s，與實驗值相差很大。J.L.R.達朗伯於1747年首次導出弦的波動方程，並預言可用於聲波。直到1816年，P.S.M.拉普拉斯指出只有在聲波傳播中空氣溫度不變時牛頓的推導才正確，而實際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應該是絕熱過程，因此，聲速的二次方應是大氣壓乘以比熱容比（定壓比熱容與定容比熱容的比）γ 與密度之比。據此算出聲速的理論值與實驗值就完全一致了。
直到19世紀末，接收聲波的儀器只有人耳。人耳能聽到的最低聲強大約是10-6W/m2(聲壓20μPa)，在1000Hz時，相應的空氣質點振動位移大約是10pm(10-11m)，只有空氣分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收確實驚人。19世紀中就有不少人耳解剖的工作和對人耳功能的探討，但至今還未能形成完整的聽覺理論。對聲刺激通過聽覺器官、神經系統到達大腦皮層的過程有所了解，但這過程以後大腦皮層如何進行分析、處理、判斷還有待進一步研究。音調與頻率的關係明確後，對人耳聽覺的頻率範圍和靈敏度也都有不少的研究。發現著名的電路定律的G.S.歐姆於1843年提出人耳可把複雜的聲音分解為諧波分量，並按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學理論的啟發下，開展了聽覺的聲學研究（以後稱為生理聲學和心理聲學），並取得重要的成果，其中最有名的是 H.von亥姆霍茲的《音的感知》。在關閉空間（如房間、教室、禮堂、劇院等）裡面聽語言、音樂，效果有的很好，有的很不好，這引起今天所謂建築聲學或室內音質的研究。但直到1900年W.C.賽賓得到他的混響公式，才使建築聲學成為真正的科學。
19世紀及以前兩三百年的大量聲學研究成果的最後總結者是瑞利，他在1877年出版的兩卷《聲學原理》中集經典聲學的大成，開現代聲學的先河。至今，特別是在理論分析工作中，還常引用這兩卷巨著。他開始討論的電話理論，已發展為電聲學。在20世紀，由於電子學的發展，使用電聲換能器和電子儀器設備，可以產生接收和利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強度的聲波，已使聲學研究的範圍遠非昔日可比。現代聲學中最初發展的分支就是建築聲學和電聲學以及相應的電聲測量。以後，隨著頻率範圍的擴展，又發展了超聲學和次聲學；由於手段的改善，進一步研究聽覺，發展了生理聲學和心理聲學；由於對語言和通信廣播的研究，發展了語言聲學。在第二次世界大戰中，開始把超聲廣泛地用到水下，使水聲學得到很大的發展。20世紀初以來，特別是20世紀50年代以來，全世界由於工業交通事業的巨大發展出現了噪聲環境污染問題，而促進了噪聲、噪聲控制、機械振動和衝擊研究的發展高速大功率機械套用日益廣泛。非線性聲學受到普遍重視。此外還有音樂聲學、生物聲學。這樣，逐漸形成了完整的現代聲學體系。

物理聲學的特點

①大部分基礎理論已比較成熟，這部分理論在經典聲學中已有比較充分的發展。②有些基礎理論和套用基礎理論，或基礎理論在不同實際範圍內的套用問題研究得較多；③非常廣泛 基礎物理聲學，是各分支的基礎(圖2)

地滲入到物理學其他分支和其他科學技術領域（包括工農業生產）以及文化藝術領域中。圖2表明現代聲學的各分支和它們的基礎以及同其他科學技術的關係。現代聲學研究一直涉及聲子的運動、聲子和物質相互作用，以及一些準粒子和電子等微觀粒子的特性；所以聲學既有經典性質，也有量子性質。
圖2的中心是基礎物理聲學，是各分支的基礎。聲也可以說是在物質媒質中的機械輻射。機械輻射的意思是機械擾動(媒質中質點的相對運動)在物質中的傳播。中心圓外有兩個同心環，各分作若干扇形。第一環中各扇形是聲學的各個分支，外層中各扇形則是聲學各分支的套用範圍，這些範圍的外面又分為分屬各學科的五大類。人類的活動幾乎都與聲學有關，從海洋學到語言音樂，從地球到人的大腦，從機械工程到醫學，從微觀到巨觀，都是聲學家活動的場所。聲學的邊緣科學性質十分明顯，邊緣科學是科學的生長點，因此有人主張聲學是物理學的一個最好的發展方向。

物理聲學“聲波”

在氣體和液體中只有縱波（質點振動的方向與聲波傳播方向相同，見圖3）。在固體中除了縱波以外，還可能有橫波（質點振動的方向與聲波傳播的方向垂直），有時還有縱橫波。 聲波場中質點每秒振動的周數稱為頻率，單位為赫(Hz)。現代聲學研究的頻率範圍為 10-4～1014Hz，在空氣中可聽聲的波長（聲速除以頻率）為17mm～17m，在固體中，聲波波長的範圍則為10-11～107m， 在氣體和液體中只有縱波(圖3)

比電磁波的波長範圍至少大一千倍。聲學頻率範圍大致劃分如表1。 聲波的傳播速度公式中E是媒質的彈性模量，單位為帕(Pa)，ρ是媒質密度，單位為kg/m3。氣體中E=γp，p是壓力，單位是Pa。聲在媒質中傳播有損耗時，E為複數(虛數部分代表損耗)，с也是複數，其實數部分代表傳播速度，虛數部分則與衰減常數（每單位距離強度或幅度的衰減）有關，測量後者可求得媒質中的損耗。聲波的傳播與媒質的彈性模量、密度、內耗以及形狀大小（產生折射、反射、衍射等）有關。測量聲波傳播的特性可以研究媒質的力學性質和幾何性質，聲學之所以發展成擁有眾多分支並且與許多科學、技術和文化藝術有密切關係的學科，原因就在於此。
聲行波強度用單位面積內傳播的功率（以W/m2為單位）表示，但是在聲學測量中功率不易直接測量得，所以常用易於測量的聲壓表示。在聲學中常見的聲強範圍或聲壓範圍非常大，所以一般用對數表示，稱聲強級或聲壓級，單位是分貝(dB)。先選一個基準值，一個強度等於其基準值10000倍的聲，聲強級稱40dB，強度1000000倍的聲則強度級為60dB。聲強I與聲壓p的關係是 式中Zc是媒質的聲特性阻抗，Zc=ρс。聲壓增加10倍，聲強則增加100倍，分貝數增加20。所以聲壓為其基準值的100倍時，聲壓級是40dB。在使用聲強級或聲壓級時，基準值必須說明。在空氣中，ρс=400，聲強的基準值常取為10-6W/m2，與這個聲強相當的聲壓基準值為20μPa(即2×10-5N/m2)，這大約是人耳在1000Hz所能聽到的最低值。這時聲強級與聲壓級相等(0dB)(這是在空氣中，並選擇了適當的基準值情況下)。

區別

物理聲學方法與光學方法的比較
聲學分析方法已成為物理學三個重要分析方法（聲學方法、光學方法、粒子轟擊方法）之一。聲學方法與光學方法（包括電磁波方法）相比有相似處，也有不同處。相似處是：聲波和光波都是波動，使用兩種方法時，都運用了波動過程所應服從的一般規律，包括量子概念（聲的量子稱為 聲子）

不同處是：
①光波是橫波，聲波在氣體中和液體中是縱波，而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為複雜
②聲波比光波的傳播速度小得多（在氣體中約差百萬倍，在液體和固體中約差十萬倍）；
③一般物體（固態或液態）和材料對光波吸收很大，但對聲波卻很小，聲波在不同媒質的界面上幾乎是完全反射。這些傳播性質有時造成結果上的極大差別，例如在普通實驗室內很容易驗證光波的平方反比定律（光的強度與到光源的距離平方成反比），雖然根據能量守恆定律聲波也應滿足平方反比定律，但在室內則無法測出。因為室內各表面對聲波來說都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發出後要反射很多次，在室內往返多次，經過很長時間（稱為混響時間，嚴格定義見建築聲學）才消失。任何點的聲強都是這些直達聲和反射聲互相干涉的結果，與距離的關係很複雜。這就是為什麼直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對很多聲學現象不能理解的原因。

物理聲學領域

介紹

與光學相似，在不同的情況，依據其特點，運用不同的聲學方法。

物理波動聲學

也稱物理聲學，是用波動理論研究聲場的方法。在聲波波長與空間或物體的尺度數量級相近時，必須用波動聲學分析。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現象。在
明朝朱載堉於1584年提出平均律

關閉空間（例如室內，周圍有表面）或半關閉空間（例如在水下或大氣中，有上、下界面），反射波的互相干涉要形成一系列的固有振動（稱為簡正振動方式或簡正波）。簡正方式理論是引用量子力學中本徵值的概念並加以發展而形成的（注意到聲波波長較大和速度小等特性）。

射線物理聲學

或稱幾何聲學，它與幾何光學相似。主要是研究波長非常小（與空間或物體尺度比較）時，能量沿直線的傳播，即忽略衍射現象，只考慮聲線的反射、折射等問題。這是在許多情況下都很有效的方法。例如在研究室內反射面、在固體中作無損檢測以及在液體中探測等時，都用聲線概念。

統計物理聲學

主要研究波長非常小（與空間或物體比較），在某一頻率範圍內簡正振動方式很多，頻率分布很密時，忽略相位關係，只考慮各簡正方式的能量相加關係的問題。賽賓公式就可用統計聲學方法推導。統計聲學方法不限於在關閉或半關閉空間中使用。在聲波傳輸中，統計能量技術解決很多問題，就是一例。

物理聲學的儀器設備

20世紀以前，聲源僅限於人聲、樂器、音義和哨子。頻率限於可聽聲範圍內，可控制的聲強範圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時用歌弧、歌焰作定性比較，電話上的接收器和傳聲器還很簡陋，難於用作測試儀器。20世紀以後，人們把電路理論套用於換能器的設計，把晶體的壓
物理聲學示意圖

電性用於聲信號和電信號之間的轉換，以後又發展了壓電陶瓷、駐極體等，並用電子線路放大和控制電信號，使聲的產生和接收幾乎不受頻率和強度的限制。用半導體（如 CdS）薄膜產生超聲，用雷射轟擊金屬激發聲波等，使聲頻超過了可聽聲高限的幾億倍。次聲頻率可達每小時一周以下，聲強可超過人耳所能接收高強聲音的幾千萬倍。聲功率也可超過人口所發聲的 1011倍。聲學測量分析儀器也達到了高度準確的程度，以台式計算機（微型計算機）為中心的測試設備可完成多種測試要求，60年代需要幾天才能完成的測試分析工作，用現代設備可能只要幾分鐘就可以完成。以前無法進行的測量工作(如聲強、簡正波等)現在也可以測量了。這些手段就給聲學各分支的進一步發展創造了很好的條件。

實際套用

利用對聲速和聲衰減測量研究物質特性已套用於很廣的範圍。測出在空氣中，實際的吸收係數比19世紀G.G.斯托克斯和G.R.基爾霍夫根據粘性和熱傳導推出的經典理論值大得多，在 物理聲學流程圖

液體中甚至大幾千倍、幾萬倍。這個事實導致了人們對弛豫過程的研究，這在對液體以及它們結構的研究中起了很大作用(見聲吸收)。對於固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內耗的研究，並對諸如固體結構和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻。
表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學、熱脈衝、聲發射、超聲顯微鏡、次聲等以物質特性研究為基礎的研究領域都有很大發展。
瑞利時代就已經知道的表面波，現已用到微波系統小型化發展中。在壓電材料(如石英)上鍍收發電極，或在絕緣材料（如玻璃）上鍍壓電薄膜都可以作成表面波器件。聲表面波的速度只有電磁波的十萬分之幾，相同頻率下波長短得多，所以表面波器件的特點是小，在信號存儲上和信號濾波上都優於電學元件，可在電路小型化中起很大作用。
聲全息和聲成像是無損檢測方法的重要發展。將聲信號變成電信號，而電信號可經過電子計算機的存儲和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應被檢對象的情況，這就大大優於一般的超聲檢測方法。固體位錯上的聲發射則是另一個無損檢測方法的基礎。
聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質中聲速的微小變化來研究，套用聲波的非線性特性可以實現和研究聲與聲的相互作用，它還用於高解析度的參量聲吶（見非線性聲學）中。 用熱脈衝產生的超聲頻率可達到1012Hz以上，為凝聚態物理開闢了新的研究領域。
次聲學主要是研究大氣中周期為一秒至幾小時的壓力起伏。火山爆發、地震、風暴、颱風等自然現象都是次聲源。研究次聲可以更深入地了解上述這些自然現象。次聲在國防研究上也有重要套用，可以用來偵察和辨認大型爆破、火箭發射等。大氣對次聲的吸收很小，比較大的火山爆發，氫彈試驗等產生的次聲繞地球幾周仍可被收到，可用次聲測得這些事件。固體地球內聲波的研究已發展為地震學。
研究液氦中的聲傳播也很有意義。早在40年代，Л·Д·朗道就預計液氦溫度低於λ 點時可能有周期性的溫度波動，後來將這種溫度波稱為第二聲，而壓力波為第一聲。對第一聲和第二聲的研究又得到另外兩種聲：第三聲超流態氦薄膜上超流體的縱波，第四聲多孔材料孔中液氦中超流體內的壓縮波。深入研究這些現象都已經成為研究液氦的物理特性尤其是量子性質的重要手段（見量子聲學）。
聲波可以透過所有物體：不論透明或不透明的，導電或非導電的，包括了其他輻射（如電磁波等）所不能透過的物質。因此，從大氣、地球內部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點陣等微小部分都是聲學的實驗室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動，找出了地球內部運動的準確模型，月球上放置的地聲接收器對月球內部監測的結果，也同樣令人滿意。進一步監測地球內部的運動，最終必將實現對地震的準確預報，從而避免大量傷亡和經濟損失。

物理聲學的生命科學

語言通信

主要研究語言的分析、合成和機器識別問題。錄放聲設備和電子計算機的發展在這些工作中起了很大促進作用。已作到語言可以根據打字文稿按聲學規律合成聲音，有限詞
獲得良好的音質
匯的口語可以用機器自動識別，口語也可以轉化為電碼或由電碼再轉換為聲音（聲碼器）並保存原來口語的特性。現在語言通信的設備還比較複雜，系統的質量和局限還有待於改進。這種改進不僅是技術上的，更重要的是對語言的產生和感知的基本理解。這隻有深入進行語言和聽覺的基礎研究才能得到解決，而不是近期所能完成的(見語言聲學)。

物理聲學--- 聽覺

聽覺過程涉及生理聲學和心理聲學。能定量地表示聲音在人耳產生的主觀量(音調和響度)，並求得與物理量（頻率和強度）的函式關係，這是心理物理研究的重大成果。還建立了測聽技術和耳鼓聲阻抗測量技術，這是研究中耳和內耳病變的有效工具。在聽覺研究中，所用的設備很簡單，但所得結果卻驚人的豐富。1961年物理學家 G.von貝凱西曾由於在聽覺方面的研究工作獲得諾貝爾醫學或生理學獎，這是物理學家在邊緣學科中的工作受到了承認的例子。主要由於對神經系統和大腦的確切活動和作用機理不明，還未形成完整的聽覺理論，但這方面已引起了很多聲學工作者的重視，從20世紀50年代以來已取得很大成績。通過大量的生理、心理物理實驗可得出若干結論，並提出一些構想：聲音到達人耳後，耳把它轉換為機械振動，經中耳放大後再到達內耳，使蝸管中的基底膜發生共振。感測單元是基底膜上的內外兩排毛細胞。外毛細胞基本是一排化學放大器，把振動傳到內毛細胞，激發其彎曲振動，振動達到某閾值以上時，與內毛細胞接觸的神經末梢就發出電脈衝，把信號通過神經系統送入大腦。與內毛細胞聯結的神經核主要對基底膜振動速度回響，而外毛細胞回響於基底膜的位移。神經信號為幾十毫伏的電脈衝，脈衝延續時間約幾十毫秒。信號就通過神經脈衝送入大腦，圖4是構想的流程圖，從大腦再把信號分配到大腦皮層的各箇中心，進行儲存、分析、積分或拋棄。這是初步的理解，要建立起完整的聽覺理論，解釋所有聽覺現象，還需要做大量的工作，這涉及到對大腦功能的研究。
在語言和聽覺範圍內，基礎研究導致很多重要醫療設備的生產：整個裝到耳聽道內的助聽器；保護聽力的耳塞，為聲帶損傷病人用的人工喉，語言合成器，為全聾病人用的觸覺感知器和人工耳蝸等等。

物理聲學的醫療領域

除了助聽、助語設備外，聲學在醫學中還有很多可以套用的方面，但發展都很不夠或根本未發展，特別是在治療方面。有跡象說明低強度超聲可加速傷口癒合，同時施用超聲和X射線可使對癌
超聲檢查體內器官並加以顯示
症的輻射治療更加有效，超聲輻射可治癒腦血栓等，但這些都未形成常規的治療手段。主要原因是不能確定適當的劑量，超聲治療的機理不明，不清楚是局部加熱的結果，還是促進體液的流動起的作用。
超聲檢查體內器官並加以顯示的方法有廣泛的套用聲波可透過人體並對體內任何阻抗的變化靈敏（折射、反射），因此超聲透視顱內、心臟或腹內的某些功效遠非X射線可比，而且不存在輻射病，但使用時也有局限。超聲全息用於體內無損檢測的技術則尚待發展。
達到臨床使用的超聲技術還包括利用都卜勒效應查體內運動（包括胎兒運動及血管內血液的流速等），神經外科在腦的深部用聚焦的超音波造成破壞而不影響大腦的其他部分，利用超聲處理治療人耳中的平衡機構等。牙科用超聲鑽鑽牙而絲毫不影響軟組織，可以大大減少病人的不適。

環境物理聲學

當代重大環境問題之一是噪聲污染，社會上對環境污染的意見（包括控告）有一半是噪聲問題。除了長期在較強的噪聲(90dB以上)中工作要造成耳聾外，不太強的噪聲對人也會形成干擾。例如噪聲級到70dB，對面談話就有困難，50dB環境下睡眠、休息已受到嚴重影響。近年來，對聲源發聲機理的研究受到注意，也取得了不少成績。例如，撞擊聲、氣流聲、機械振動聲等的理論研究都取 利用回聲探測水下物體得重要成果，根據噪聲發生的機理可求得控制噪聲的有效方法。 利用回聲探測水下物體

振動對人危害也很大，雖然影響的人數比噪聲少一些。常日手持鑿岩機的礦山工人受振動危害嚴重時可得到白指病，甚至手指會逐節掉下。全身振動則可達到感覺不適、工作效率降低及至肌體損傷的程度，也應加以保護。對振動的保護一般採取質量彈簧系統或阻尼材料（見隔振、減振）。控制振動也是降低噪聲的基本辦法。
噪聲控制中常遇到的聲源功率範圍非常大，這也增加了噪聲控制工作的複雜性。例如一個大型火箭發動機的噪聲功率可開動一架大型客機，而大型客機的噪聲功率可開動一輛卡車。工業交通事業的進一步發展，其關鍵之一是降低噪聲。噪聲污染是工業化的後果，而降低噪聲又是改善環境、提高人的工作效率、延長機器壽命的重要措施。

物理建築聲學

環境科學不但要克服環境污染，還要進一步研究造成適於人們生活和活動的環境。使在廳堂中聽到的講話清晰、音樂優美是建築聲學的任務，廳堂音質的主要問題是室內的混響。賽賓在 20 世紀初由大量實驗總結出來的混響理論標誌現代聲學的開始。混響必須合適（要求因使用目的而異），有時還需要混響可變。在廳堂音質的研究中混響雖是主要因素但不是唯一因素。第二個因素常稱為擴散。實驗證明，由聲源到聽者的直達聲及其後 50或100ms內到達的反射聲對音質都有重要影響，反射聲的方向分布也是很重要的因素，兩側傳來的反射聲似乎很重要，全面研究各種因素才能獲得良好的音質。
宿舍、公寓建築的聲學問題主要不是研究室內音質（因為房間都很小，混響時間不長），而常常是研究隔聲，即要求儘量減小鄰居之間的互相干擾：如樓上走路，樓下聽得很清楚。隔聲大小與牆壁或樓板的厚度（或單位面積的質量）直接有關，但建築界的傾向是向輕結構發展，與隔聲要求正相反，這就給聲學家提出難題，勁度控制也許是解決這個矛盾的方法，但還需要做大量工作。城市噪聲控制和音質涉及了多方面的問題，非常複雜，許多學科的專家都為此做出了重要貢獻，但還有待更深入的進展。

研究課題

物理聲學的音樂領域

音樂是聲學研究最早注意的課題，已開始進入新的境界。用於音樂及立體聲的錄放和廣播的磁帶錄聲技術以及電子放大系統，帶電子放大器的樂器等都已得到了廣泛的套用。電子樂器和計算機音樂的問世為作曲家和演奏藝術家開闢了新的創作天地。電子音樂合成器產生的樂音既可以模擬現有任何樂器的聲音，也可以創造出從來未有過的新樂音。電子計算機能夠模擬整個樂隊的演奏，作曲家可以坐在計算機前，通過計算機的信息處理，從事創作，一切都由他的手指操縱，並且可以一遍一遍地重聽和修改，直到他滿意為止。在音樂方面和物理學方面都受過完善教育的人，在音樂發展上是大有可為的，他可以把兩個學科的新構思結合起來取得獨特的藝術效果。

物理聲學的國防領域

除了上面已提到的次聲外， 聲學對國防還有許多重要用途。語言通信在指揮聯絡上是關鍵性問題。超聲檢測和表面波器件在國防工業中起重要作用。其他各聲學分支也都與國防有關，在國防中套用較多的是水聲學。海洋中除聲以外的各種信號都很難傳到幾米之外，因此水聲技術在利用回聲探測水下物體，如潛艇、海底、魚群、沉船等，是有力手段。由於溫度、壓力等的分布，在水面下 1200m左右有一聲速最低的深水聲道（聲發聲道）。其中聲速比其上、下層的都低，聲波傳入後就局限於聲道內，損失很小。船舶遇到事故時，丟下一枚小型深水炸彈，其低頻信號可在聲道內傳播幾百甚至幾千km遠，在這個範圍內的“聲發”站接收到信號即可組織救援。在水下檢測異物時就要用較高可聽聲頻或較低超聲頻，這時水中吸收較大，只能達到較近區域，要延長作用距離還是個困難課題。在航海和漁業方面水聲學也有廣闊的套用前景。

物理聲學包含的學科

次聲學、超聲學、電聲學、大氣聲學、音樂聲學、語言聲學、建築聲學、生理聲學、生物聲學、水聲學、物理學、力學、熱學、光學、電磁學、核物理學、固體物理學。

詳細介紹

就該詞的本義，系指任何與聽覺有關的事物。但依通常所用，其一系指物理學中關於聲音的屬性、產生和傳播的分支學科；其二系指建築物適合清晰地聽講話、聽音樂的質量。
聲音由物體（比如樂器）的振動而產生，通過空氣傳播到耳鼓，耳鼓也產生同率振動。聲音的高低（pitch）取決於物體振動的速度。物體振動快就產生“高音”，振動慢就產生“低音”。物體每秒鐘的振動速率，叫做聲音的“頻率”
聲音的響度（loudness）取決於振動的“振幅”。比如，用力地用琴弓拉一根小提琴弦時，這根弦就大距離地向左右兩邊擺動，由此產生強振動，發出一個響亮的聲音；而輕輕地用琴弓拉一根弦時，這根弦僅僅小距離左右擺動，產生的振動弱而發出一個輕柔的聲音。
較小的樂器產生的振動較快，較大的樂器產生的振動較慢。如雙簧管的發音比它同類的大管要高。同樣的道理，小提琴的發音比大提琴高；按指的發音比空弦音高；小男孩的嗓音比成年男子的嗓音高等等。制約音高的還有其他一些因素，如振動體的質量和張力。總的說，較細的小提琴弦比較粗的振動快，發音也高；一根弦的發音會隨著弦軸擰緊而音升高。
不同的樂器和人聲會發出各種音質（quality）不同的聲音，這是因為幾乎所有的振動都是複合的。如一根正在發音的小提琴弦不僅全長振動，各分段同時也在振動，根據分段各自不同的長度發音。這些分段振動發出的音不易用聽覺辨別出來，然而這些音都納入了整體音響效果。泛音列中的任何一個音（如G，D或B）的泛音的數目都是隨八度連續升高而倍增。泛音的級數還可說明各泛音的頻率與基音頻率的比率。如大字組“G”的頻率是每秒鐘振動96次，高音譜表上的“B”（第五泛音）的振動次數是5*96=480，即每秒鐘振動480次。
儘管這些泛音通常可以從複合音中聽到，但在某些樂器上，一些泛音可分別獲得。用特定的吹奏方法，一件銅管樂器可以發出其他泛音而不是第一泛音，或者說基音。用手指輕觸一條弦的二分之一處，然後用弓拉弦，就會發出有特殊的清脆音色的第二泛音；在弦長的三分之一處觸弦，同樣會發出第三泛音等。（在弦樂譜上泛音以音符上方的“o”記號標記。自然泛音“natural harmonics”是從空弦上發出的泛音；人工泛音“artificial harmonics”是從加了按指的弦上發出。）
聲音的傳播（transmission of sound）通常通過空氣。一條弦、一個鼓面或聲帶等的振動使附近的空氣粒子產生同樣的振動，這些粒子把振動又傳遞到其他粒子，這樣連續傳遞直到最初的能漸漸耗盡。壓力向鄰近空氣傳播的過程產生我們所說的聲波（sound waves）。聲波與水運動產生的水波不同，聲波沒有朝前的運動，只是空氣粒子振動並產生鬆緊交替的壓力，依次傳遞到人或動物的耳鼓產生相同的影響（也就是振動），引起我們主觀的“聲音”效果。
判斷不同的音高或音程，人的聽覺遵守－條叫做“韋伯-費希納定律”(Weber-Fechner law）的感覺法則。這條定律闡明：感覺的增加量和刺激的比率相等。音高的八度感覺是一個2:1的頻率比。對聲音響度的判斷有兩個“極限點”：聽覺閥和痛覺閥。如果聲音強度在聽覺閥的極限點認為是1，聲音強度在痛覺閥的極限點就是1兆。按照韋伯-費希納定律，聲學家使用的響度級是對數，基於10:1的強度比率，這就是我們知道的1貝（bel）。響度的感覺範圍被分成12個大單位，1貝的增加量又分成10個稱作分貝（decibel）的較小增加量，即1貝=10分貝。1分貝的響度差別對我們的中聲區聽覺來說大約是人耳可感覺到的最小變化量。
當我們同時聽兩個振動頻率相近的音時，它們的振動必然在固定的音程中以重合形式出現，在感覺上音響彼此互相加強，這樣一次稱為一個振差（beat）。鋼琴調音師在調整某一弦的音高與另一弦一致的過程中，會聽到振差在頻率中減少，直到隨正確的調音逐漸消失。當振差的速率超過每秒鐘20次，就會聽到一個輕聲的低音。
當我們同時聽兩個很響的音時，會產生第三個音，即合成音或引發音（combination tone或resultant tone）。這個低音相當於兩個音振動數的差，叫差音（difference tone）。還可以產生第四個音（一個弱而高的合成音），它相當於兩個音振動數的和，叫加成音（summation tone）。
同光線可以反射一樣，亦有聲反射（reflection of sound)，比如我們都聽到過的回聲。同理，如果有阻礙物擋住了聲振動的通行會產生聲影（sound shadows）。然而不同於光振動，聲振動傾向於圍繞阻礙物“衍射”(diffract)，並且不是任何固體都能產生一個完全的聲影。大多數固體都程度不等地傳遞聲振動，而只有少數固體（如玻璃）傳遞光振動。
共鳴（resonance）一詞指一物體對一個特定音的回響，即這一物體由於那個音而振動。如果把兩個調音相同的音叉放置在彼此靠近的地方，其中一個發聲，另一個會產生和應振動，亦發出這個音。這時首先發音的音叉就是聲音發生器（generator)，隨後和振的音叉就是共鳴器(resonator）。我們經常會發現教堂的某一窗戶對管風琴的某個音產生反應，產生振動；房間裡的某一金屬或玻璃物體對特定的人聲或樂器聲也會產生類似的回響。
從共鳴這個詞的嚴格科學意義說，這一現象是真正的共鳴（“再發聲”）。這一詞還有不太嚴格的用法。它有時指地板、牆壁及大廳頂棚對演奏或演唱的任何音而不局限於某個音的回響。一個大廳共鳴過分或是吸音過強（“太乾”)都會使表演者和觀眾有不適感（一個有回聲的大廳常被描述為“共鳴過分”，其實在單純的聲音反射和和應振動的增強之間有明確的區別）。混響時間應以聲音每次減弱60分貝為限（原始輻射強度的百萬分之一）。
牆壁和頂棚的製造材料應是既迴響不過分又吸音不太強。聲學工程師已經研究出建築材料的吸音的綜合效能係數，但是吸音能力難得在音高的整體幅面統一貫穿進行。只有木頭或某些聲學材料對整個頻率範圍有基本均等的吸音能力。放大器和揚聲器可以用來（如今經常這樣使用）克服建築物原初設計不完善所帶來的問題。大多數現代大廳建築都可以進行電子“調音”，並備 有活動面板、活動天棚和混響室可適應任何類型正在演出的音樂。物理聲學是研究媒質中聲波的產生、傳播、接收、性質及其與其他物質相互作用的科學。 物理聲學是經典物理學中歷史最悠久而當前仍在前沿的一個分支學科。因而它既古老而又頗具年輕活力。
物理聲學是物理學中很早就得到發展的學科。聲音是自然界中非常普遍、直觀的現象它很早就被人們所識，無論是中國還是古代希臘，對聲音、特別是在音律方面都有相當的研究。我國在3400多年以前的商代對樂器的製造和樂律學就已有豐富的知識，以後在聲音的產生、傳播、樂器製造、樂律學以及建築和生產技術中聲學效應的套用等方面，都有許多豐富的經驗總結和卓越的發現和發明。國外對聲的研究亦開始得很早，早在公元前500年，畢達哥拉斯就研究了音階與和聲問題，而對聲學的系統研究則始於17世紀初伽利略對單擺周期和物體振動的研究。17世紀牛頓力學形成，把聲學現象和機械運動統一起來，促進了聲學的發展。聲學的基本理論早在19世紀中葉就已相當完善，當時許多優秀的數學家、物理學家都對它作出過卓越的貢獻。1877年英國物理學家瑞利（Lord　John　William　Rayleigh，1842～1919）發表巨著《聲學原理》集其大成，使聲學成為物理學中一門嚴謹的相對獨立的分支學科，並由此拉開了現代物理聲學的序幕。
物理聲學是當前物理學中最活躍的學科之一。物理聲學日益密切地同聲多種領域的現代科學技術緊密聯繫，形成眾多的相對獨立的分支學科，從最早形成的建築聲學、電聲學直到目前仍在“定型”的“分子—量子聲學”、“電漿聲學”和“地聲學”等等，目前已超過20個，並且還有新的分支在不斷產生。其中不僅涉及包括生命科學在內的幾乎所有主要的基礎自然科學，還在相當程度上涉及若干人文科學。這種廣泛性在物理學的其它學科中，甚至在整個自然科學中也是不多見的。
在發展初期，聲學原是為聽覺服務的。理論上，聲學研究聲的產生、傳播和接收；套用上，聲學研究如何獲得悅耳的音響效果，如何避免妨礙健康和影響工作的噪聲，如何提高樂器和電聲儀器的音質等等。隨著科學技術的發展，人們發現聲波的很多特性和作用，有的對聽覺有影響，有的雖然對聽覺並無影響，但對科學研究和生產技術卻很重要，例如，利用聲的傳播特性來研究媒質的微觀結構，利用聲的作用來促進化學反應等等。因此，在近代聲學中，一方面為聽覺服務的研究和套用得到了進一步的發展，另一方面也開展了許多有關物理、化學、工程技術方面的研究和套用。聲的概念不再局限在聽覺範圍以內，聲振動和聲波有更廣泛的含義，幾乎就是機械振動和機械波的同義詞了。
自然界從巨觀世界到微觀世界，從簡單的機械運動到複雜的生命運動，從工程技術到醫學、生物學，從衣食住行到語言、音樂、藝術，都是現代聲學研究和套用的領域。

物理聲學分支

可以歸納為如下幾個方面：
從頻率上看，最早被人認識的自然是人耳能聽到的“可聽聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語言、音樂、房間音質、噪聲等，分別對應於語言聲學、音樂聲學、房間聲學以及噪聲控制；另外還涉及人的聽覺和生物發聲，對應有生理聲學、心理聲學和生物聲學；還有人耳聽不到的聲音，一是頻率高於可聽聲上限的，即頻率超過20000Hz的聲音，有“超聲學”，頻率超過500MHz的超聲稱為“特超聲”，當它的波長約為10〈-8〉m量級時，已可與分子的大小相比擬，因而對應的“特超聲學”也稱為“微波聲學”或“分子聲學”。超聲的頻率還可以高10〈14〉Hz。二是頻率低於可聽聲下限的，即是頻率低於20Hz的聲音，對應有“次聲學”，隨著次聲頻率的繼續下降，次聲波將從一般聲波變為“聲重力波”，這時必須考慮重力場的作用；頻率繼續下降以至變為“內重力波”，這時的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10－4Hz。需要說明的是，從聲波的特性和作用來看，所謂20Hz和20000Hz並不是明確的分界線。例如頻率較高的可聽聲波，已具有超音波的某些特性和作用，因此在超聲技術的研究領域內，也常包括高頻可聽聲波的特性和作用的研究。
從振幅上看，有振幅足夠小的一般聲學，也可稱為“線性（化）聲學”，有大振幅的“非線性聲學”。 從傳聲的媒質上看，有以空氣為媒質的“空氣聲學”；還有“大氣聲學”，它與空氣聲學不同的是，它主要研究大範圍內開闊大氣中的聲現象；有以海水和地殼為媒質的“水聲學”和“地聲學”；在物質第四態的電漿中，同樣存在聲現象，為此，一門尚未成型的新分支“電漿聲學”正應運而生。
從聲與其它運動形式的關係來看，還有“電聲學”等等。 物理聲學的分支雖然很多，但它們都是研究聲波的產生、傳播、接收和效應的，這是它們的共性。只不過是與不同的領域相結合，研究不同的頻率、不同的強度、不同的媒質，適用於不同的範圍，這就是它們的特殊性。