完整声学极简史

文 | 子鱼

编辑 | 贰沐子鱼

前言

偶然得见一篇文章简单介绍了声学发展史，与我之前的几篇文章有很大关联。所以将其添油加醋放到这里，用编年史的形式呈现。显然这里涵盖的仅为声学史的一隅，所以在厚颜无耻的“完整”二字后面，加上“极简”以示谦卑。

1861

德国科学家Johann Philipp Reis发明麦克风。于是，也顺带把扬声器发明了出来，一机两用。其后，二者性能被贝尔（Alexander Graham Bell）——贝尔实验室的贝尔，和西门子（Ernst Siemens）——西门子的创始人西门子，不断提升。

嗯，用博士研究所去年拍的短片开场，这想法不错。Reis老前辈穿越160年去找我的老教授……

1863

《作为乐理的生理学基础的音调感受的研究》“On the Sensations of Tone as a Physiological Basis for the Theory of Music”发表，作者亥姆霍兹（Herman von Helmholtz）。该书描述了亥姆霍兹共振器，通过腔体内的空气来放大某频率的声音（类似于吹空瓶子）。亥姆霍兹用共振器来区分乐器的不同音。

海螺老妹儿，为什么你的声音有大海的感觉呢？

1877

《声学理论》“Theory of Sound”在英国出版。作者瑞利（Lord Rayleigh），1904年诺贝尔物理学奖获得者。瑞利发现了“瑞利波”——沿固体表面传播的声波。声阻抗的单位“rayl”以瑞利命名。

1883

印尼喀拉喀托火山爆发，被认为是人类当代社会有史以来最大的声音。36000千人因为火山喷发引起的海啸丧生，激波在之后持续好几天，地球的气候也受到了数年的影响。

地球上最大的声音据说是希克苏鲁伯陨石撞击地球。陨石撞击地球产生的能量是沙皇炸弹的200万倍，把地球自转和公转都改变了。有多少分贝据说只有恐龙知道。不过那时候有分贝吗？

1924

答案是没有。直到1924年人们才知道什么是分贝。其概念被贝尔实验室提出。之前的文章详细写过关于分贝的介绍，这里不再赘述。戳下文 👇

分贝（dB）是什么海鲜，以及1+1≠2

1930

国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）正式取消“每秒周数”（cycle per second），用赫兹（Hertz）取而代之，作为频率的单位，以纪念赫兹（Heinrich Hertz）。赫兹先生的大侄儿，Gustav Ludwig Hertz，后来成为了西门子实验室的主任。

1930

Perrin声学阵列登上了“Perrin Acoustic Array”杂志的封面。阵列由法国的诺贝尔奖获得者Jean-Baptiste Perrin发明，当时的描述是"Airplane Finder Which Locates Ships in Flight, and Registers Their Altitude, Speed and Distance from the Apparatus"，可以搜寻飞机，定位其高度，速度和距离仪器的距离。这就是现代麦克风阵列的鼻祖，当时非常高大上，甚至比人都大好几倍的麦克风阵列，经过几十年的演化，现在已经变成家常便饭，被安装在数以亿计智能音箱、手机和耳机里面。

声学发展史之——声音可视化 (Sound Visualization) · 上

声学发展史之——声音可视化 (Sound Visualization) · 下

然而其定位功能的主旨并没有发生变化，并且随着技术发展可以实现对声音的可视化。

1933

对声学有一些了解的人，想必对下面的等响曲线并不陌生。每一根蓝色曲线代表，人耳听到某一个响度，在每一个频率下对应的实际声压级。

我在两年前花很大篇幅介绍过心理声学，想有更多了解的同学狂戳👇

声学发展史之——心理声学(Psychoacoustics) · 上

声学发展史之——心理声学(Psychoacoustics) · 下

1936

A计权曲线被列为标准。A计权同样是考虑了人耳的听觉特性而做出的修正。比如曲线的最高点在2000Hz左右，是人耳最敏感的频率区域。然而到了然而到了20Hz就变得非常不敏感。途中20Hz对应-50dB，也就意味着同样声压级的两个声音，一个2000Hz，一个20Hz，人耳实际感知到的声音大小要相差50dB。

1936

哈佛大学的Stanley Smith Stevens提议定义响度单位为Sone。Sone一词源于拉丁文“Sonus"，意为声音。Stevens也是哈佛大学心理声学实验室的创办者。

Stanley Smith Stevens (1906-1973)

1942

哈佛大学的Leo Beranek，称其为美国声学之父应该不足为过，建造了第一个消声室（anechoic chamber）。（全）消声室用于模拟声学自由场（Acoustic free field）。当然后来又出现了半自由场的半消声室（Hemi-anechoic chamber）。当时建造的目的是为了给美国空军测试扬声器——战争果然是科技发展和进步的第一推动力。

Beranek同时也定义了清晰度指数（Articulation Index，AI——并不是人工智能），用于描述语音在背景噪声下能被理解的程度。AI用于评价飞机中飞行员佩戴不同型号的耳机是否能够听清地面指令。

全消声室

半消声室

1961

Bark scale在慕尼黑被Karl Eberhard Zwicker教授提出，日后也成为了标准。Bark为临界频带（critical band）的单位。简单说：耳蜗基底膜上有24个点能对24个不同频率产生最大幅度共振，从而将人耳可听频率范围20Hz-22kHz分成24个频带，即临界频带。同样，在之前的心理声学发展史里面也有过比较详细的介绍，这里不再啰嗦。随着频率升高，临界频带也随之变宽。

1963

互联网由声学家J.C.R Licklider发明。Licklider为美国五角大楼国防部门的研究员，为其部门申请了funding，从而开始搭建”Intergalactic Computer Network“，也就是现在的互联网——Internet。有人评价Licklider有三大发明：在美国几所重点大学创办计算机科学，分时系统（time-sharing）和网络。

1975

响度的计算纳入国际标准ISO532。有两种计算方法：窄频频谱方法（narrow-band spectral approach）和三分之一倍频程法（1/3 octave approach）。该标准也考虑了Zwicker提出的掩蔽效应。

1981

ECMA-74标准发表"Measurement of Airborne Noise emitted by Information Technology and Telecommunications Equipment"，包含了计算Tone-to-Noise Ratio 和 Prominence Ratio的标准。一个纯音要至少比它对应的掩蔽噪声高出8dB才能被人听见。