完整声学极简史

| 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。

完整声学极简史

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。

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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全消声室

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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。

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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。

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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。

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1990

心理声学圣经“Psycho-Acoustics: Facts and Models”发表,作者为慕尼黑工业大学的Eberhard Zwicker和Hugo Fastl。

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1994

用于测量空气中声音质点振速的传感器问世。

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Microflown质点振速传感器

质点振速:声音,不仅仅声压的天下

2000

Directive 2000/14/EC (Outdoor Noise Directive – OND)被欧盟理事会采纳。成员国的57种室外设备被要求要满足噪声辐射标准。自此,声功率开始被人熟知,比如会出现在energy label上(在欧洲生活过的小伙伴应该都不陌生)。

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2018

ECMA-74标准在Annex G中增加了计算Tonality的计算方法。

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参考:

Siemens DISW

Sonifying COVID-19 genetic mutations over time

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声学基础

频谱、频谱密度、能量谱、功率谱,对比着看,比较靠谱!

2021-6-27 22:36:50

声学基础

音频相关的基础知识

2021-7-13 14:40:06

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