01

序言

人生來就能看，能聽。

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(huán)境再關(guān)上返回屋內(nèi)。接下來二人的談話壓低聲音，聽不清了。

人類之所以區(qū)別于其他動物，就在于人能說話，通過語言在發(fā)音上的差異，構(gòu)建起一整套具有復(fù)雜指向性的符號體系，指認(rèn)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(xué)，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(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)家畢達哥拉斯，他通過單弦琴反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動弦的長度被劃分為簡單的數(shù)學(xué)比例時，例如2:1（八度）、3:2（純五度）和4:3（純四度），就能產(chǎn)生賞心悅目的音樂和聲。

也就是說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——畢達哥拉斯就是個數(shù)學(xué)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(xué)研究的著作，其中，《墨子·經(jīng)上》中說：「聲，氣動也?！拐J(rèn)為聲音是由氣流運動產(chǎn)生的；在《墨子·經(jīng)下》又說：「激，聲之所由生也?！挂馑际锹曇羰怯膳鲎矝_擊產(chǎn)生的。

墨子不僅搞清了聲音的性質(zhì)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(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，評述了聲與樂的關(guān)系。

可以說，墨子對聲音的研究已相當(dāng)完備。可惜的是后來的中國人沒有繼續(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動，通過一系列壓縮和稀疏過程來進行。這標(biāo)志著人類對聲音的認(rèn)識進入科學(xué)的范疇了。不過他有一個錯誤假設(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(fā)現(xiàn)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(zhì)量的平方根成反比。這一弦振動定律，為現(xiàn)代音樂聲學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

1650年代，愛爾蘭科學(xué)家羅伯特·波義爾（也是一個什么都研究的人），對空氣的性質(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(fā)現(xiàn)聲音不在真空中傳播，證明了聲音傳播過程中介質(zhì)（起碼得有空氣或水等實體）的必要性。

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

1696年，法國數(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)，以專門的術(shù)語和范疇將聲音符號化和結(jié)構(gòu)化。索沃爾的工作產(chǎn)生了一種更方便、更廣泛的新音樂語言、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，對振動弦、調(diào)音音高、泛音、人聲和樂器的范圍等進行了系統(tǒng)研究。他還創(chuàng)建了有關(guān)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(xué)節(jié)拍和節(jié)拍器大大改進了梅森定律的計算。

1816年，聲學(xué)研究領(lǐng)域上發(fā)生了一件事，法國醫(yī)生兼音樂家勒內(nèi)·萊內(nèi)克發(fā)明了第一臺聽診器，將聲學(xué)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷。過去，歐洲的醫(yī)生都是把耳朵貼在女性胸口聽診。有一天醫(yī)院來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(fā)現(xiàn)，這樣一來能比以前直接用耳朵聽到更清晰、更準(zhǔn)確的心臟活動。他把自己發(fā)現(xiàn)的聽診器材命名為聽診器，估計當(dāng)時的男性醫(yī)生并不愛用。

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）首次嘗試測量水中的聲速。在他們的實驗中，當(dāng)?shù)谝凰掖系幕鹚廃c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?；鹚庨W光到聲音到達第二艘船上的時間被用來計算水中的聲速?？评瓥|和施圖姆用這種方法相當(dāng)準(zhǔn)確地測定了聲音在水中的速度。

1863年，德國物理學(xué)家、醫(yī)生赫爾曼·馮·亥姆霍茲出版了《音調(diào)的感覺》，這本書深刻影響了20世紀(jì)的音樂學(xué)家。亥姆霍茲發(fā)明了亥姆霍茲共振器，用于識別包含多個音調(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，英國物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)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(lǐng)域的大量研究貢獻相結(jié)合，撰寫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，美國的托馬斯·愛迪生發(fā)明了留聲機，這是世界上第一臺能錄制和播放聲音的設(shè)備。當(dāng)年5月至7月間，愛迪生先是構(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(xué)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(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(fā)現(xiàn)，在福格演講廳內(nèi)部署了吸音材料，以縮短混響時間并降低「回聲效應(yīng)」，效果極佳。

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

04

現(xiàn)代聲學(xué)發(fā)展

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

1915年，法國物理學(xué)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(fā)明了第一部用于偵測潛艇的主動式聲納設(shè)備。

1917年，加拿大物理學(xué)家羅伯特·波義爾（Robert Boyle）制作出用于測試的原始型號主動聲納。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，匈牙利裔美國生物物理學(xué)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(xué)的基礎(chǔ)。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(gòu)造，不同頻率的聲音會導(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(jīng)纖維之前是如何局部分散的。1961年，他因?qū)Σ溉閯游锫犛X器官耳蝸功能的研究而獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。

來到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)域的自動化分析和監(jiān)測成為可能。相信在不久的將來，聲學(xué)研究會取得更矚目的突破。

05

尾聲

以上就是聲學(xué)發(fā)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(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。