摘要：在感官系统中，有些部分并不总是工作，鼻子只有遇到具刺激性的小分子才唤起工作，舌头接触到食物方去品尝，连眼睛也会闭上休息，似乎只有耳朵无时无刻不在接收信息。就此而言，声音是人或者一切动物从感觉通道中获取最多的信息类别。

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序言

人生来就能看，能听。

在感官系统中，有些部分并不总是工作，鼻子只有遇到具刺激性的小分子才唤起工作，舌头接触到食物方去品尝，连眼睛也会闭上休息，似乎只有耳朵无时无刻不在接收信息。就此而言，声音是人或者一切动物从感觉通道中获取最多的信息类别。

但是声音到底是什么，为什么打更的敲了一下锣，全街道的居民都能听到？声音是怎么从起点穿过空气，抵达接收者的耳朵的？为什么耳朵能听懂声音？这些声音通过什么方式来表达不同的景象？

为何我一听到铁锹刮水泥地的声音就万念俱灰；听到柴可夫斯基的音乐就感觉冬天来了，白雪皑皑的天地间寂静而纯净；为何人遇到相互理解的人被称作「知音」……

一个人半夜敲门，你问谁？他回，我。于是你开门让对方进来，手扶着半掩的门探头出去扫视一眼周围的环境再关上返回屋内。接下来二人的谈话压低声音，听不清了。

人类之所以区别于其他动物，就在于人能说话，通过语言在发音上的差异，构建起一整套具有复杂指向性的符号体系，指认万物，彼此互通，以至于人类的思维完全是建立在语言（干脆说舌头和口腔）上的。想一想，你若不用语言，能进行思考吗？

小时候上学，老师会教我们「默读」，其实默读也有一个声音在大脑里。声音的作用简直太巨大了。

今天，我们就聊一聊人类对声音的研究历史。你可「听」好了，很有趣。

02

古人对声音的研究

其实早在远古时代，人们就开始琢磨声音的性质了。

最早将声音量化研究的人是公元前六世纪的古希腊哲学家毕达哥拉斯，他通过单弦琴反复实验，发现当振动弦的长度被划分为简单的数学比例时，例如 2:1（八度）、3:2（纯五度）和 4:3（纯四度），就能产生赏心悦目的音乐和声。

也就是说声音的和谐是不同音符的结构化结果，它背后隐藏着数学意义上的相互关系——毕达哥拉斯就是个数学家。

紧接着，中国的墨子对声音做了更为详尽的研究。《墨子》是诸子百家中涉及到诸多科学研究的著作，其中，《墨子·经上》中说：「声，气动也。」认为声音是由气流运动产生的；在《墨子·经下》又说：「激，声之所由生也。」意思是声音是由碰撞冲击产生的。

墨子不仅搞清了声音的性质和起因，还意识到空气是声音传递的条件，若无气则无声。这与现代声学的基本原理（声波在介质中传播）近乎一致。此外，墨子还研究了声音的清浊、响度等等，评述了声与乐的关系。

可以说，墨子对声音的研究已相当完备。可惜的是后来的中国人没有继续他的研究。

再两百年后，古希腊哲学的集大成者亚里士多德（这人什么都研究）明确提出，声音的传播方式是空气运动，通过一系列压缩和稀疏过程来进行。这标志着人类对声音的认识进入科学的范畴了。不过他有一个错误假设：高频声音比低频声音传播得更快。

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近代声学起步与发展

1636年，法国博学家马林·梅森在著作《宇宙和声》中较早地阐述综合性音乐理论，涉及广泛的音乐概念，其中有后来被称为「梅森定律」的最早表述，该定律描述了拉伸弦的振动频率，该频率与弦的长度成反比（毕达哥拉斯早已发现但没有量化这一点），与拉伸力的平方根成正比，并且与单位长度质量的平方根成反比。这一弦振动定律，为现代音乐声学奠定了基础。

1650年代，爱尔兰科学家罗伯特·波义尔（也是一个什么都研究的人），对空气的性质非常有兴趣，其最重要的成就就是气体体积与气体压强成反比的定律。研究气体时，他雇了几个壮汉用一个容器使劲抽真空，通过对真空的研究发现声音不在真空中传播，证明了声音传播过程中介质（起码得有空气或水等实体）的必要性。

同期的德国科学家奥托·冯·格里克曾经启发了罗伯特·波义尔，并且也对真空做了系统研究。可以说，他们二人共同证明了声音传播中介质的作用。

1696年，法国数学家、物理学家约瑟夫·索沃尔创造了「声学」一词，用于描述声音的科学，以专门的术语和范畴将声音符号化和结构化。索沃尔的工作产生了一种更方便、更广泛的新音乐语言、一种新的声音系统。其工作包括研究频率和音高之间的关系，对振动弦、调音音高、泛音、人声和乐器的范围等进行了系统研究。他还创建了有关八度的音程测量方法。尽管之前马林·梅森的理论是正确的，但他的测量方法并不精确，索沃尔通过使用声学节拍和节拍器大大改进了梅森定律的计算。

1816年，声学研究领域上发生了一件事，法国医生兼音乐家勒内·莱内克发明了第一台听诊器，将声学应用于医学诊断。过去，欧洲的医生都是把耳朵贴在女性胸口听诊。有一天医院来了一位特别胖的女士，勒内·莱内克把耳朵贴在她厚厚的大乳房上什么也听不到。于是他灵机一动把一卷纸卷成一个圆柱体，一端贴在心脏部位，另一端贴在耳朵上。他惊喜地发现，这样一来能比以前直接用耳朵听到更清晰、更准确的心脏活动。他把自己发现的听诊器材命名为听诊器，估计当时的男性医生并不爱用。

1826年，在瑞士日内瓦湖，物理学家让-丹尼尔·科拉东（Jean-Daniel Colladon）和数学家查尔斯-弗朗索瓦·施图姆（Charles-Francois Sturm）首次尝试测量水中的声速。在他们的实验中，当第一艘船上的火药点燃的同时，水下钟声被敲响，10英里外的第二艘船上观测到了钟声和火药的闪光。火药闪光到声音到达第二艘船上的时间被用来计算水中的声速。科拉东和施图姆用这种方法相当准确地测定了声音在水中的速度。

1863年，德国物理学家、医生赫尔曼·冯·亥姆霍兹出版了《音调的感觉》，这本书深刻影响了20世纪的音乐学家。亥姆霍兹发明了亥姆霍兹共振器，用于识别包含多个音调的复杂声音中纯正弦波成分的不同频率或音高。他证明不同的谐振器组合可以模仿元音。

1877年，英国物理学家、诺贝尔物理学奖获得者约翰·威廉·斯特拉特、第三代瑞利男爵将前人的知识与自己在该领域的大量研究贡献相结合，撰写了不朽的著作两卷本《声音理论》，至今仍被声学家和工程师们所使用。

也在1877 年，美国的托马斯·爱迪生发明了留声机，这是世界上第一台能录制和播放声音的设备。当年5月至7月间，爱迪生先是构思出了录音和播放的原理，到11月21日，他宣布发明了第一台留声机，并于11月29日第一次演示了该装置，它能够说话。从此，人类的耳朵就进入空前享受的新时代。

1898年，美国物理学家华莱士·克莱门特·萨宾提出了混响时间公式，奠定了建筑声学的科学基础。他细致研究了声音在空间内的传播，发现声学上合适的音乐厅的混响时间为2——2.25秒，最佳演讲厅的混响时间略低于1秒。萨宾利用他的发现，在福格演讲厅内部署了吸音材料，以缩短混响时间并降低「回声效应」，效果极佳。

随后他受聘担任波士顿交响乐厅的声学顾问。波士顿交响乐厅是首个采用定量声学设计的音乐厅，设计空前成功，该交响乐厅被公认为世界上最好的交响乐厅之一。

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现代声学发展

1906年，英国海军的刘易斯·理察森（Lewis Nixon）发明了第一部声呐仪，是一种被动式的聆听设备，主要用来侦测冰山。该技术在第一次世界大战时开始被应用到战场上，用来侦测潜藏在水底的潜水艇。

1915年，法国物理学家保罗·朗之万与俄国电气工程师康斯坦丁·奇洛夫斯基（Constantin Chilowski）合作发明了第一部用于侦测潜艇的主动式声纳设备。

1917年，加拿大物理学家罗伯特·波义尔（Robert Boyle）制作出用于测试的原始型号主动声纳。随后，声纳设备不断被生产和用于海军舰艇。

1931年，美国人研究出了类似的声纳设备，称为SONAR。

1960年代，匈牙利裔美国生物物理学家格奥尔格·冯·贝凯西以他对耳朵和听觉的研究奠定了耳蜗力学的基础。他观察到基底膜在受到声音刺激时会像表面波一样运动。由于耳蜗和基底膜的特殊构造，不同频率的声音会导致波的最大振幅出现在耳蜗线圈沿线基底膜的不同位置，高频会在耳蜗底部引起更多振动，而低频会在耳蜗顶端引起更多振动。这些观察表明不同的声波频率在刺激从耳蜗到大脑的不同神经纤维之前是如何局部分散的。1961年，他因对哺乳动物听觉器官耳蜗功能的研究而获得诺贝尔医学奖。

来到21世纪，随着深度学习与大数据、人工智能的爆发，也使生物声学和其他领域的自动化分析和监测成为可能。相信在不久的将来，声学研究会取得更瞩目的突破。

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尾声

以上就是声学发展的简单历史。想一想，我们的小小耳朵接收声音，背后有如此复杂的生物学和物理学原理，世界真的是很奇妙。停顿一下，看看你周围有什么声音。

来源：刘兴亮