人们是怎样逐步掌握声学规律的:经典声学的建立——人们了解声学基本规律的艰苦过程(2)

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拿破仑的奖金——板的振动

板的振动就更困难一些。克拉尼在1809年在板上放细沙并使板发生振动,发现板振动时沙子集中在波节线上,形成克拉尼图,在1809年在法国科学院会议上发表,引起极大的兴趣。拿破仑大帝拿出3000法郎,准备奖给得出板振动数学解的人。1819年女科学家提出了四次偏微分方程,解决了板的振动得到了这项大奖。但她取的边界条件是错误的,一直到1850年克希可夫才完全解决。目前看来很简单的间题在当时竟要惊动了威震欧洲的拿破仑大帝.说明当时确实不容易解决。

声在真空中能不能传播

这事情本来很简单。只要把声源放在真空容器中发声,在容器外听,看听不听到声音就行了。当时虽然真空技术已比较好,但做实验的人不知道还要使声源和容器固体之间有振动绝缘,所以在外面还是听得到声音,从1615年就开始有人做实验,一直到1660年建立波义耳定律的波义耳才完全解决,证明声在真空中不能传播。

声的速度

声能在空气中和固体中传播,这点人们已经比较熟悉,但速度是多少呢?在1635年贾森地用火枪发声,在远处侧盘看见火光和听到枪声的时间差算出来声在空气中的声速,但他的测量结果是487.4米/秒,与实际声速相差颇大。到1740年左右才测出接近实际的声速。

声的波动理论

人虽然知道声在空气中传播,但声的本质是什么还是众说纷纭,有人说是波,有人说是粒子,这和光学中的波动说和粒子说的争论一样。1687年牛顿在他的“原理”一书中对声波作为弹性波推导了声速的公式。他认为声速正比于介质弹性力的平方根,反比于介质密度的平方根,这反映了声的实质。但经过测量,发现计算值和实验值有较大的误差。原来牛顿认为声波传播是个等温过程,没有考虑声波变化较快,由压缩变热和稀疏致冷的热量传不出去,实际上是个绝热过程。到1816年拉普拉斯修改了牛顿的公式,把等温压缩系数换为绝热压缩系数,消除了理论和实验的差别。

通过牛顿到拉普拉斯的工作,人们才最后确认声波是弹性波,奠定了经典声学的基础。

小众声学

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