声学学科发展及课程体系设置的分析研究

韩开锋 蔡清裕

[摘 要]声学的起源可追溯到古代人类对于听觉、语言、音乐等知识的认识。声学是物理学中古老却又前沿的分支学科。声学是研究媒质中机械波（即声波）的科学，研究范围包括声波的产生、接收、转换和声波的各种效应。我国开展声学研究有较好的基础，声学学科领域的研究要以应用技术、应用基础理论研究和技术开发为特点。国内高校和一些科研机构需要维持一定数量的从事声学研究和教学的高层次人才，开设的课程应能够反映声学发展的国际前沿领域和发展动态，所培养的声学科技人员应具有坚实、系统的声学理论基础和深入的专门知识，掌握相应的现代声学实验技术。

[关键词]声学 学科发展 课程设置

[中图分类号] G642.3[文献标识码] A[文章编号] 2095-3437（2015）01-0091-03

声学的起源可追溯到古代人类对于听觉、语言、音乐等知识的认识，直到19世纪中叶，逐渐发展成为一门体系较为严密的学科，1877年英国物理学家瑞利所著的《声学原理》就是一部总结经典声学理论的巨著[1]，并由此开创了现代声学的先河。

一、声学的发展概况

世界上最早的声学研究起始于音乐方面，中国先秦时就有“情发于声，声成文谓之音”之说，对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。[2]现代声学同多种领域的科学技术的联系日益紧密，形成了众多的相对独立的分支学科。从最早形成的建筑声学、电声学直到目前仍在探讨的“分子-量子声学”、“等离子体声学”和“地声学”等，学科分支数目已超过20个，并且仍有新的分支在不断产生。声学不仅涉及包括生命科学在内的几乎所有主要的基础自然科学，还在相当大的程度上涉及若干人文科学。美国声学学会把声学分为已被公认的18个主要分支学科，分属于不少于12门自然科学，并扩展到艺术领域。

现代声学具有极强的交叉性与延伸性，它与现代科学技术的大部分学科发生了交叉，形成了一系列诸如水声学、医学超声学、环境声学、生物声学等新型独特的交叉学科方向，在现代科学技术中起着举足轻重的作用。水声学是近代声纳设计和海洋开发的技术基础，所有的水下探测、通讯、导航、遥控等活动都离不开声学。现阶段水声学已不仅仅应用于军事上，在海洋开发方面也有广泛的应用，例如近海油气田的数字地震勘探、失事飞机、海难救助的定位等。超声及其应用是近代聲学发展中最为迅速的新兴分支，超声无损检测、超声医疗已在工业和生活方面普遍推广。目前，高分辨的彩色B超所得到的图像可与解剖图媲美。次声学的研究也有很好的应用领域，次声方法已成为侦察大气中核爆炸的主要方法之一，利用次声也可以预测许多自然灾害事件，如发生地震、火山爆发、暴风雨之前都曾记录到相伴随的次声波。电声技术的发展和近代通讯技术的发展紧密相关，当前比较热门的研究主要集中在新概念扬声器。噪声污染已与空气污染、水的污染并列为人类环境的三大污染，因此噪声控制已成为各国所重视的解决环境问题的重要课题。对噪声和振动的研究还和国防密切相关，例如，火箭、导弹飞行时的振动及其控制一直是衡量它们总体性能的重要指标。多种消声方法，包括减振、人为屏蔽、有源消声等正在一些工业领域获得应用。建筑声学的发展和古代宫殿、教堂以及剧院的建筑有关，它为现代大型剧场、大会堂的设计提供声学指导，也为城市噪声控制提供标准。在声学发展史中值得一提的还有生物声学，20世纪初，美国生理学家葛拉姆包斯指出，蝙蝠会用喉头发射超声，而用耳朵接收回声，因而可以在黑夜中飞行与捕食。语言自动识别是人们多年的理想。欧姆提出了“声音是由许多频率合成”的概念;亥姆霍兹发展了这一概念，采用谐振腔对语言进行频率分析[3]，从而奠定了语言声学的基础。随着近代信息科学的发展，语言合成、语言识别的理论得到迅速发展，人机交互语言应用系统正在成为研究的热点。

从声学方向的发展趋势来看，笔者认为主要体现在以下几个方面：

（一）在理论方面，经典声学与现代非线性数学和非线性物理相结合形成非线性声学。研究有限振幅波的非线性声学，已逐步构成了日趋完整的现代声学体系，非线性声学是现代声学及其应用的基本出发点和基础，也是现代声学最前沿的学科和学术领域。

（二）声学与海洋学的结合形成海洋声学。声波是目前唯一能在海水中远距离传播的信息载体。在美国科技白皮书中，关于海洋高技术的研究内容、海洋声学技术占有重要篇幅。目前海洋声学技术的研究内容主要包括探测声纳、导航声纳、定位声纳、水声通信机和声层析等技术。

（三）声学与光学、流体力学相结合形成声致发光学。液体中的声致发光主要有两类机理，分别是多泡声致发光和单泡声致发光。对声空化与声致发光的物理过程特性进行理论描述是一个极具挑战性的前沿科学问题。

（四）声学与现代信号处理和控制技术相结合形成噪声控制学。噪声控制学在未来的发展具有很大的空间，有源噪声与振动控制技术是当前噪声控制技术中最先进的研究方向和前沿热点之一。

二、国内外一流声学学科的发展状况

宾夕法尼亚大学声学研究组成立于1965年，是全美最主要的声学本科教育基地，其研究方向主要有声学成像和全息术、声与振动控制、建筑声学、大气声学、噪声控制、非破坏性评估、非线性声学、物理声学、信号处理、超声学、水声学、波传播与散射等。声学研究组面向不同的教学对象，设有学士、硕士、博士等培养类别。分别对本科生和研究生开设大量的声学及相关领域的课程，并分门别类开设配套实验。罗德岛州大学的海洋工程系最早建立于1966年，是全美乃至国际上知名的海洋工程领域的研究与教学机构，其主要研究方向为海洋仪器和海底映射、水声学和数据分析、海洋力学和波浪力学、海岸和近岸建模、海洋地质力学、海岸和海面结构以及其他相关领域研究。安德列耶夫声学研究所是俄罗斯最大的声学研究所，主要从事声学领域基础和应用性研究。1953年在前苏联科学院“列别捷夫”物理研究所声学实验室基础上成立，1994年该所获得国家科学中心的地位。该所是海洋噪声源分析、海洋声传播研究领域的领导者，开展了复杂机械结构内的震荡过程、声学-水动力现象、反噪声和振动方法等方面的研究。英国的南安普敦声学和振动研究所、伦敦帝国理工学院等在声学教育方面长期具有优势，能够颁发各种等级的声学学位证书。

目前，在国内南京大学、中国科学院、同济大学、清华大学、北京大学、国防科技大学、哈尔滨工程大学、西北工业大学、中国海洋大学、华南理工大学、陕西师范大学等高校及科研机构都有声学方向，其中南京大学是我国高校中主要的声学教学和科研基地，拥有国内唯一的声学本科专业和国家重点学科，是中国最早的综合性声学科研与教学实体。迄今，形成了完善的从本科生、硕士研究生到博士研究生和博士后的各级人才培养体系，而其他一些院校都是到研究生阶段才有声学专业。中国科学院声学研究所成立于1964年，主要涉及声学专业和信号与信息处理两大专业。前者侧重于基础研究和应用基础研究，后者主要侧重于数字信号处理研究。

1956年同济大学建成国内第一个混响室和隔声室，并建成远东最大的消声室、标准混响及标准隔声测试室，其研究方向主要包括检测声学、噪声控制、建筑声学、环境声学四大专业方向。哈尔滨工程大学水声工程学院是在原水声工程系、水声研究所和水声技术国家重点实验室的基础上组建而成，是我国最早从事水声工程教学和科研的单位之一。隶属于该院的水声工程专业是目前我国该领域唯一的重点学科，在水声工程领域有着重要影响。西北工业大学声学与信息工程系在原有教研室的基础上组建成立，以该系为主体的“水声工程”学科曾被列入国防科工委“十五”重点建设规划。

海军工程大学和青岛潜艇学院都有从事声纳相关的研究。在强声学方面，我国从事强声学方面研究的单位不多，北京航空航天大学流体与工程实验室仅在“十五”期间，在流体强声学方面开展过一些研究，但他们主要从事航空发动机的掩声、降噪方面的研究工作。目前国防科技大学具有特色的流体强声技术在全国处于领先地位，研究方向涉及强声物理和技术、非线性声学、水声物理以及强声物理防护研究等。按教育部学科的分类，该校建立了物理学一级学科下的声学二级学科博士点[4]，目前该校声学学科已跻身于湖南省重点学科之列。

三、声学相关课程的设置

各个高校有关声学的研究方向和课程设置并不相同，有的差别还比较大。在物理学中，通常把现代物理学包括在课程设置中，而声学只包括在與信号处理、波传播和某些非线性现象有关的部分课程之中。医学、工程学和建筑学课程一般只是简略地提及声学，或作为一门选修科目，常常不涉及基础和应用研究。事实上，绝大部分声学专门人才都已“潜伏”到高度专业化的领域进行研究。目前，声学主要研究方向包括物理声学、非线性声学、强声学、光声信息科学与技术、光声生物医学成像与检测、声学微传感器与探测技术、功能材料的光声效应、声学超常介质材料、超声物理及声人工结构、超声换能器、声表面波与固体界面声学、超声电子学、医学超声、电声学、水声学、建筑声学、通信声学、噪声控制等。其中，物理声学是各分支的基础，它研究各种机械振动的原理。近年来，非线性声学也有引人注目的发展。与这些研究方向相关的学科专业主要有电子与通信工程、信号与信息处理、传播学、水声工程、地质工程、光学等。

声学的交叉学科问题要求开课单位在声学相关课程设置时必须把物理理论及上述各交叉领域方面的专门课程都考虑进去。在当前声学学科定位下，由于声学的多学科性质和在各研究领域中所达到的专业化的程度不同，很难拟定出详细的各研究方向都通用的声学课程表。然而，即便声学学科需要学习的课程所涉及的知识面比较广，为便于各个研究分支增进相互了解，增加各分支间的相互协作，我们有必要构建出一个符合大众声学基本要求的课程轮廓。笔者通过对国内外一些高校的声学学科调研，对声学相关课程的设置归纳为数理基础、计算机及应用、相关学科基础和声学专业课四大类，其中，数理基础大部分都是高等数学、普通物理、数学物理方法、理论物理等方面的基础课程;计算机及应用方面一般包括计算机原理、算法语言及程序设计等;侧重点不同的相关学科大都另外开设了不同的基础课程，例如信号与信息处理学科一般会开设现代数字信号处理、信号处理中的数学方法等课程;声学专业课主要有声学基础、理论声学、声学实验等基础课程，具有声学研究生专业培养的高校和科研机构，在研究生学习阶段一般会开设固体中声场与波、非线性声学、声学进展、计算声学、声辐射原理等专业课程。

四、结论

声音无处不在，声学是研究媒质中机械波（即声波）的科学，研究范围包括声波的产生、接收、转换和声波的各种效应。[5]我国开展声学研究有较好的基础，声学学科领域的研究要以应用技术、应用基础理论研究和技术开发为特点。国内高校和一些科研机构需要维持一定数量的从事声学研究和教学的高层次人才，开设的课程应能够反映声学发展的国际前沿领域和发展动态，所培养的声学科技人员应具有坚实、系统的声学理论基础和深入的专门知识，掌握相应的现代声学实验技术。总而言之，只要对我国今后声学研究工作进行合理规划并适当增加投入，就能够在未来相当长的一段时间内做出具有创造性的科研成果。

[ 注 释 ]

[1] 马大猷，杨训仁.声学漫谈[M].长沙：湖南教育出版社，1994.

[2] 许肖梅.声学基础[M].北京：科学出版社，2003.

[3] 宋文淼，王建英.谐振腔中的亥姆霍兹定理及电磁场的本征函数展开问题[J].电子与信息学报，1989（5）：518-527.

[4] 韩开锋.《弹性波动力学基础》专业课程的教学改革实践体会[J].大学教育，2012（9）：118-119.

[5] 吴波.物理能量转换世界：探究微妙的声光电[M].北京：现代出版社，2012.

[责任编辑：覃侣冰]