劉興亮 | 極簡聲學發展史

01

序言

人生來就能看，能聽。

在感官系統中，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，連眼睛也會閉上休息，似乎只有耳朵無時無刻不在接收信息。就此而言，聲音是人或者一切動物從感覺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到？聲音是怎么從起點穿過空氣，抵達接收者的耳朵的？為什么耳朵能聽懂聲音？這些聲音通過什么方式來表達不同的景象？

為何我一聽到鐵鍬刮水泥地的聲音就萬念俱灰；聽到柴可夫斯基的音樂就感覺冬天來了，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」……

一個人半夜敲門，你問誰？他回，我。于是你開門讓對方進來，手扶著半掩的門探頭出去掃視一眼周圍的環境再關上返回屋內。接下來二人的談話壓低聲音，聽不清了。

人類之所以區別于其他動物，就在于人能說話，通過語言在發音上的差異，構建起一整套具有復雜指向性的符號體系，指認萬物，彼此互通，以至于人類的思維完全是建立在語言（干脆說舌頭和口腔）上的。想一想，你若不用語言，能進行思考嗎？

小時候上學，老師會教我們「默讀」，其實默讀也有一個聲音在大腦里。聲音的作用簡直太巨大了。

今天，我們就聊一聊人類對聲音的研究歷史。你可「聽」好了，很有趣。

02

古人對聲音的研究

其實早在遠古時代，人們就開始琢磨聲音的性質了。

最早將聲音量化研究的人是公元前六世紀的古希臘哲學家畢達哥拉斯，他通過單弦琴反復實驗，發現當振動弦的長度被劃分為簡單的數學比例時，例如2:1（八度）、3:2（純五度）和4:3（純四度），就能產生賞心悅目的音樂和聲。

也就是說聲音的和諧是不同音符的結構化結果，它背后隱藏著數學意義上的相互關系——畢達哥拉斯就是個數學家。

緊接著，中國的墨子對聲音做了更為詳盡的研究。《墨子》是諸子百家中涉及到諸多科學研究的著作，其中，《墨子·經上》中說：「聲，氣動也。」認為聲音是由氣流運動產生的；在《墨子·經下》又說：「激，聲之所由生也。」意思是聲音是由碰撞沖擊產生的。

墨子不僅搞清了聲音的性質和起因，還意識到空氣是聲音傳遞的條件，若無氣則無聲。這與現代聲學的基本原理（聲波在介質中傳播）近乎一致。此外，墨子還研究了聲音的清濁、響度等等，評述了聲與樂的關系。

可以說，墨子對聲音的研究已相當完備。可惜的是后來的中國人沒有繼續他的研究。

再兩百年后，古希臘哲學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動，通過一系列壓縮和稀疏過程來進行。這標志著人類對聲音的認識進入科學的范疇了。不過他有一個錯誤假設：高頻聲音比低頻聲音傳播得更快。

03

近代聲學起步與發展

1636年，法國博學家馬林·梅森在著作《宇宙和聲》中較早地闡述綜合性音樂理論，涉及廣泛的音樂概念，其中有后來被稱為「梅森定律」的最早表述，該定律描述了拉伸弦的振動頻率，該頻率與弦的長度成反比（畢達哥拉斯早已發現但沒有量化這一點），與拉伸力的平方根成正比，并且與單位長度質量的平方根成反比。這一弦振動定律，為現代音樂聲學奠定了基礎。

1650年代，愛爾蘭科學家羅伯特·波義爾（也是一個什么都研究的人），對空氣的性質非常有興趣，其最重要的成就就是氣體體積與氣體壓強成反比的定律。研究氣體時，他雇了幾個壯漢用一個容器使勁抽真空，通過對真空的研究發現聲音不在真空中傳播，證明了聲音傳播過程中介質（起碼得有空氣或水等實體）的必要性。

同期的德國科學家奧托·馮·格里克曾經啟發了羅伯特·波義爾，并且也對真空做了系統研究。可以說，他們二人共同證明了聲音傳播中介質的作用。

1696年，法國數學家、物理學家約瑟夫·索沃爾創造了「聲學」一詞，用于描述聲音的科學，以專門的術語和范疇將聲音符號化和結構化。索沃爾的工作產生了一種更方便、更廣泛的新音樂語言、一種新的聲音系統。其工作包括研究頻率和音高之間的關系，對振動弦、調音音高、泛音、人聲和樂器的范圍等進行了系統研究。他還創建了有關八度的音程測量方法。盡管之前馬林·梅森的理論是正確的，但他的測量方法并不精確，索沃爾通過使用聲學節拍和節拍器大大改進了梅森定律的計算。

1816年，聲學研究領域上發生了一件事，法國醫生兼音樂家勒內·萊內克發明了第一臺聽診器，將聲學應用于醫學診斷。過去，歐洲的醫生都是把耳朵貼在女性胸口聽診。有一天醫院來了一位特別胖的女士，勒內·萊內克把耳朵貼在她厚厚的大乳房上什么也聽不到。于是他靈機一動把一卷紙卷成一個圓柱體，一端貼在心臟部位，另一端貼在耳朵上。他驚喜地發現，這樣一來能比以前直接用耳朵聽到更清晰、更準確的心臟活動。他把自己發現的聽診器材命名為聽診器，估計當時的男性醫生并不愛用。

1826年，在瑞士日內瓦湖，物理學家讓-丹尼爾·科拉東（Jean-Daniel Colladon）和數學家查爾斯-弗朗索瓦·施圖姆（Charles-Francois Sturm）首次嘗試測量水中的聲速。在他們的實驗中，當第一艘船上的火藥點燃的同時，水下鐘聲被敲響，10英里外的第二艘船上觀測到了鐘聲和火藥的閃光。火藥閃光到聲音到達第二艘船上的時間被用來計算水中的聲速。科拉東和施圖姆用這種方法相當準確地測定了聲音在水中的速度。

1863年，德國物理學家、醫生赫爾曼·馮·亥姆霍茲出版了《音調的感覺》，這本書深刻影響了20世紀的音樂學家。亥姆霍茲發明了亥姆霍茲共振器，用于識別包含多個音調的復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，英國物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者約翰·威廉·斯特拉特、第三代瑞利男爵將前人的知識與自己在該領域的大量研究貢獻相結合，撰寫了不朽的著作兩卷本《聲音理論》，至今仍被聲學家和工程師們所使用。

也在1877年，美國的托馬斯·愛迪生發明了留聲機，這是世界上第一臺能錄制和播放聲音的設備。當年5月至7月間，愛迪生先是構思出了錄音和播放的原理，到11月21日，他宣布發明了第一臺留聲機，并于11月29日第一次演示了該裝置，它能夠說話。從此，人類的耳朵就進入空前享受的新時代。

1898年，美國物理學家華萊士·克萊門特·薩賓提出了混響時間公式，奠定了建筑聲學的科學基礎。他細致研究了聲音在空間內的傳播，發現聲學上合適的音樂廳的混響時間為2——2.25秒，最佳演講廳的混響時間略低于1秒。薩賓利用他的發現，在福格演講廳內部署了吸音材料，以縮短混響時間并降低「回聲效應」，效果極佳。

隨后他受聘擔任波士頓交響樂廳的聲學顧問。波士頓交響樂廳是首個采用定量聲學設計的音樂廳，設計空前成功，該交響樂廳被公認為世界上最好的交響樂廳之一。

04

現代聲學發展

1906年，英國海軍的劉易斯·理察森（Lewis Nixon）發明了第一部聲吶儀，是一種被動式的聆聽設備，主要用來偵測冰山。該技術在第一次世界大戰時開始被應用到戰場上，用來偵測潛藏在水底的潛水艇。

1915年，法國物理學家保羅·朗之萬與俄國電氣工程師康斯坦丁·奇洛夫斯基（Constantin Chilowski）合作發明了第一部用于偵測潛艇的主動式聲納設備。

1917年，加拿大物理學家羅伯特·波義爾（Robert Boyle）制作出用于測試的原始型號主動聲納。隨后，聲納設備不斷被生產和用于海軍艦艇。

1931年，美國人研究出了類似的聲納設備，稱為SONAR。

1960年代，匈牙利裔美國生物物理學家格奧爾格·馮·貝凱西以他對耳朵和聽覺的研究奠定了耳蝸力學的基礎。他觀察到基底膜在受到聲音刺激時會像表面波一樣運動。由于耳蝸和基底膜的特殊構造，不同頻率的聲音會導致波的最大振幅出現在耳蝸線圈沿線基底膜的不同位置，高頻會在耳蝸底部引起更多振動，而低頻會在耳蝸頂端引起更多振動。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纖維之前是如何局部分散的。1961年，他因對哺乳動物聽覺器官耳蝸功能的研究而獲得諾貝爾醫學獎。

來到21世紀，隨著深度學習與大數據、人工智能的爆發，也使生物聲學和其他領域的自動化分析和監測成為可能。相信在不久的將來，聲學研究會取得更矚目的突破。

05

尾聲

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