《Acoustics: Sound Fields and Transducers》1.1 声学发展的历史

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1.1 声学历史点滴

声学进入了一个新时代——精密工程时代。一百年前，声学是一门艺术。工程师在这个领域使用的主要测量仪器是他们的耳朵。唯一可控制的噪声源是哨声、锣声、警笛声和枪声。麦克风由振膜及其连接的机械刮擦器组成。大约在那个时候，Rayleigh（瑞利）、Stokes（斯托克斯）、Thomson、Lamb、Helmholtz（亥姆霍兹）、Konig、Tyndall、Kundt和其他人的大名就出现在重要的公开发表的论文上。他们对声音物理学的贡献是在Rayleigh1877/1878年出版的两卷本论文《Theory of Sound》(1894/1896年修订)之后。19世纪末，Alexander Graham Bell（贝尔）发明了磁性麦克风和电话。Thomas Edison（托马斯·爱迪生）发明了碳麦克风，这是近100年来用于标准电话手机的传送器。下一个重大进步是Edison的留声机，它使人类的声音和其他声音为后代保留成为可能。

在1900年至1915年之间发表的一系列论文中，W. C. Sabine将建筑声学提升到了科学的地位。他使用风琴管作为声音来源，并使用计时器精确测量时间，测量了房间的混响持续时间。他表明，通过了解房间的体积、听众的尺寸以及声音反射表面(侧壁和天花板)的特征，可以预测混响。

尽管这些早期工作者的贡献是巨大的，但声学研究的最大加速是在真空三极管的发明(1907年)和无线电广播的出现(1920年)之后。当真空管放大器和扬声器出现时，任何所需频率的响亮声音都可以产生。随着动圈式和电容式麦克风的发明，可以测量非常微弱的声音的压强。最重要的是，制造紧凑、坚固、对气流、温度和湿度不敏感的声学测量仪器变得可行。

贝尔电话实验室(1920年以后)致力于完善美国的电话系统，加速了通信声学的发展。第一次世界大战期间，最大的进步是在水声方面。在接下来的二十年里(1936年及其后)，建筑声学在哈佛大学、麻省理工学院、加州大学洛杉矶分校、英国和欧洲（尤其是德国）的几个研究中心的研究中取得了长足的进步。这些研究详细解释了矩形房间中的声音衰减，研究了指定吸音材料的阻抗方法，并对管道中的声音衰减进行了精确计算。功能性吸声体被引入该领域，市场上出现了更多种类的吸音材料。特别是莫 Morse（莫尔斯）、Stenzel、Bouwkamp和Spence对声辐射和衍射的数学理论做出了贡献。

心理声学正在迅速发展。在贝尔电话实验室，在Harvey Fletcher的领导下，响度和掩蔽的概念被量化，许多控制语音通信的因素被确定(1920-1940)。通过超声波的媒介，声学进入了医学和化学领域。例如，超声波透热疗法正在尝试，并报道了声学加速化学反应。

然后是第二次世界大战，要求对水下潜艇进行探测，并要在嘈杂的环境中进行高度可靠的语音通信，如装甲车和高空常压飞机。政府为这些领域的改进提供资金，使得在英国、德国、法国以及美国的哥伦比亚大学、哈佛大学、加利福尼亚大学成立了大型实验室。在此期间，声学研究达到了几年前梦想不到的程度，并一直持续至今。

在过去的五十年里，最大的革命无疑是计算能力的巨大增长，伴随着快速迭代的小型化，以前无法想象的便携式产品越来越广泛，包括手机、掌上电脑和测量设备。随着尺寸不断减小带来的设计难度越来越大，尺寸给声学设计者带来了新的挑战。与普遍的预期相反，电声换能器不遵守摩尔定律，因此不能假设在不牺牲性能的情况下可以实现尺寸的减小，尽管麦克风的多晶硅薄膜和扬声器的钕磁体等新材料在一定程度上有助于保持性能。减小扬声器的尺寸通常会影响其最大声功率输出，尤其是在低频时，对于麦克风而言，其输出的信噪比会下降。因此，声学工程师优化设计传感器和电子设备的能力从未像现在这样重要。

除了使用电声换能器的产品的变化之外，计算机已经彻底改变了换能器本身的建模方式。第一波工具出现在20世纪60年代和20世纪70年代初，用于模拟电路。声学工程师很快将这些工具应用于建模扬声器和麦克风，使用类比电路的集总机械和声学电路元件，如《Acoustics》中所述。然而，在Thiele和Small将滤波器理论应用于传递函数之前，通过这种方法进行的模拟在很大程度上是一种虚拟形式的试错实验，尽管比实际的样机制作要快得多，因此设计人员可以为扬声器选择目标频率响应曲线，并相应地设计电-力-声系统。有限元建模（FEM）和边界元建模（BEM）紧随其后。与集总元件模拟不同，该范围不再局限于声学波长远大于器件最大尺寸的情况。随着现代声学模拟工具的广泛使用，忽略更传统的分析方法可能是有吸引力的，这是本书的重点，尤其是本书第12章和第13章的内容。然而，分析(数学)方法可以提供一些明显的好处:

根据Richard Hamming的说法，“计算的目的是洞察而不仅仅是数字。”通过检查数学关系，比起“隐藏”计算机中的全部计算，我们可以对物理机制有一个更好的理解。这有助于我们创建改进的系统，尤其是当我们能够推导方程来得出公式时，能使我们能够第一次正确地设计一切，例如第7章中为扬声器系统给出的公式。相比之下，模拟工具只能模拟我们加载到其中的设计。模拟工具不能直接告诉我们如何设计它，尽管在蒙特卡罗优化中随机调整参数或使用达尔文遗传算法“进化”的设计是可能的。即便如此，也不一定能保证全局最优。尽管精确的解析公式通常局限于简单的矩形、圆柱形或球形几何形状，但是许多电声换能器具有这些简单的几何形状，或者可以用这些简单的几何形状来近似。(注意，该限制不适用于几乎任何形状的集总元件。)推导公式有时可能需要花费时间和精力，但一旦完成，只需改变参数，就可以生成任意多的设计图。此外，正确的公式可以用最少的内存空间进行最快的计算。如果一张图片能表达一千个文字，可以说一个方程可以表达一千张图片。用Albert Einstein（阿尔伯特·爱因斯坦）的话说，“政治是暂时的，但等式是永恒的。”解析解法通常产生极低/极高频率或远场的简单渐近表达式，这可以形成电路模拟程序中元件的基础。有一个分析基准来检查有限元/边界元模拟结果，这通常是很有用的。这可以告诉我们很多关于所需的元素大小和使用什么样的网格几何图形。当然，有两种解决问题的方法可以增强我们对这两种方法的信心。解析公式是通用的，并不限于特定的模拟工具:它们可以被编写成多种编程语言。

计算机做出贡献的另一个方面是符号计算。例如，如果我们不知道cos x的积分是sin x，则必须对cos x进行数值积分，与直接评估sin x相比，这是一个相对缓慢且容易出错的过程。现代数学工具能够解决比符号更复杂的积分问题，这导致了声辐射方面的新的分析解决方案。例如，以前的圆盘在自由空间中的辐射公式太长，无法包含在最初的《Acoustics》中，但是在新的第13章中给出了更紧凑的解法，无论带有或不带有圆形挡板。

计算机不仅带来了上述进步，而且价格也大幅下降，以至于许多设备，如手机、助听器和声级计，现在都包含数字信号处理器(DSP)和电声换能器。这使得声学设计师能够设计一个完整的系统，包括DSP均衡。虽然DSP算法超出了本书的范围，但第14章的写作目的是为了帮助设计过程的这一部分。它描述了状态变量电路模拟理论，可用于获得电声系统的传递函数。逆传递函数可用作DSP均衡的基础。然而，任何形式的均衡都应该带有健康警告，因为它不能用来补偿不良的声学设计。另一方面，DSP可用于实时监控电-力-声参数的变化，并相应地调整驱动水平，以获得最大可能的性能，同时避免烧毁。

1962年，Sessler和West发明了一种新型电容麦克风，它包含一个永久存储在金属化薄膜上的电荷以及一个前置放大器，这就是众所周知的金属薄片驻极体麦克风。该设备之后是微机电系统(MEMS)，现在集成到麦克风、振动传感器(加速度计)和陀螺仪中，尺寸约为微米级。微机电系统广泛应用于助听器和手机，其趋势是结合更多的麦克风来消除噪声和形成波束。它包括一个由多晶硅制成的自由振动膜，与一个涂有气相沉积氮化硅的穿孔背板隔开。当振膜位移时，电容会发生飞法（fF）量级的变化。低成本、小尺寸、高可靠性和接近录音室质量的结合使得碳麦克风过时。因此，驻极体和微机电系统模型也在本文中进行了描述。其他新增加的产品包括了用于手机的电话扬声器和用于极小直径设计的改进型电子管模型。

今天，声学不再是电话行业、某些进步的建筑师、军方的工具。这几乎是每个人日常生活中的一个问题。劳动和办公人员需要安全舒适的工作环境。雇用声学工程师作为建筑师，成为了越来越多建筑设计的常规部分。制造商正在生产线使用声学仪器。此外，在减少喷气发动机驱动飞机的噪音方面也取得了很大的进展，这种进展是由纽约港务局及其顾问Bolt Beranek和Newman在20世纪50年代末发起的，并通过发动机设计的成功发展得以继续。总的来说，我们见证了对电声学、建筑声学、结构声学、水声、生理和心理声学、音乐声学和超声学的理解的快速发展。

很难确定地预测未来，尽管纳米技术看起来将发挥越来越大的作用。可以诚恳地说，虽然Rayleigh的《Theory of Sound》发表已经一百多年了，但仍有许多有待探索的地方。

这本书首先涵盖了声学的基本方面：空气中的波传播、机械和声学电路的理论、声音向自由空间的辐射，以及声学元件的特性。然后是关于麦克风、扬声器、扬声器外壳和喇叭的章节。接下来介绍了封闭空间中声音的基本概念，并给出了解决声音辐射和散射问题的方法。最后一章描述了分析电路的计算机方法。通过这本书，我们将向你讲述这个令人兴奋的领域。

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