如何高效地学习声学?

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声学涉及面太广,是因为它与很多学科有交叉。我的建议是「把握核心知识,遇到具体问题再充电其他知识」,也就是把纯声学一块学好,遇到具体问题还需要什么知识就现学什么知识。你会发现纯声学知识是区别你与外行的关键。

声学知识主要是两大块,「物理」和「信号」, 若要具体制作声学器件或设备的话, 还需要有「电子」方面的知识. 声学技能主要是对各种软件或程序的使用, 如「MATLAB」、「Mathematica」、「Virtual Lab」、「Comsol」等。

「信号」和「电子」方面大多可以借鉴其它信号类课程, 其核心是差不多的. 这两个领域本身就很广, 若你是本科生, 且手上没课题, 建议大致学学就行, 对整个领域有初步了解, 以后遇到具体问题, 再深入研究这个问题。

「物理」这块就比较小众, 但很重要. 不过在数学方法和工具上, 和许多物理系的学生差不多(更少一点), 你需要了解的主要是两方面:数学和声学

数学部分

(1) 微积分:只需要一般微积分能力,不必会数学分析;

(2) 线性代数:需要基本的线代知识,偶尔还有基于矩阵的优化理论;

(3) 矢量分析:熟悉各种曲面坐标系;

(4) 数值计算:经常需要用到数值求积分、求方程组的解、求微分方程等;

(5) 数学物理方法:主要是波动方程(和 Helmholtz 方程)的推导和在不同坐标系下的应用;

(6) 特殊函数理论:主要是 Legendre 多项式、连带 Legendre 函数、Bessel 函数、球 Bessel 函数、进阶有 Mathieu 函数、扁椭球、长椭球函数。

其中数学物理方法是最重要的,自学推荐顺序:顾樵的《数学物理方法》书 > 吴崇试的《数学物理方法》公开课 > 梁昆淼的《数学物理方法》。第一本书写得深入浅出,自己完全可以看;第二本有公开课,难度较高,但认真学下来还是没问题的。

英文教材有:Arfken 的 Essential Mathematical Methods for Physicists;Willantzen 的 Separable Boundary-Value Problems in Physics;Boas 的 Mathematical Methods in the Physical Sciences;Rifley 的 Mathematical Methods for Physics and Engineering;NIST 的 https://dlmf.nist.gov

声学部分

(1) 振动学:了解振动发声的原理,包括弦振动、杆振动、膜振动、板振动;这部分的内容不是声学,但有助于理解后续的声学;有时还包括非线性振动;

(2) 初等流体动力学:主要是用来推导声学「三板斧」中的前二斧:质量守恒方程和动量守恒方程(或联合起来叫 Euler 动力学方程组),更多的流体动力学用得不多,除非要做气动声学之类的研究(Lighill 方程)。

(3) 热力学初步:主要是用来推导声学「三板斧」中的前第三斧:状态方程(或能量守恒方程);声学一般是等熵过程,此时状态方程很简单,学会这个就能应付很多问题了,没必要太深入。

(4) 声学基础:声学的重头戏。主要有:

(4.1) 理想流体的声传播:主要讨论理想流体中平面波的传播规律,如反射、透射、折射、隔声、吸声、能量等;很多工程应用都是基于这部分理论,因为这部分最简单。

(4.2) 管道声学:指一个维度无限长(也可有限)、另两个维度有界环境下的声传播。

(4.3) 腔体声学(房间声学):各个方向都封闭的声学理论,有较强室内声学应用价值;

(4.4) 声辐射:点源、偶极子、线阵列、组合声源、线源、柱源、球源、椭球源的辐射规律;障板上活塞的辐射规律(应用在各类换能器)。

(4.5) 声散射:柱散射、球散射、椭球散射;现实中常有各样的物体,对声传播有影响,如人头,实际中通常就用球来模拟其散射效果。

(4.6) 声接收:与声散射类似的原理,主要研究一些仪器的校正。

(4.7) 非理想流体(热黏、热导、驰豫)的声传播(声吸收):很多环境不是理想流体,如海洋和宏观的大气环境;这部分内容一般在特定场和才考虑,初级不怎么用。

(4.8) 非线性声学:由于该领域有很多应用(如医学超声、声学参量阵、水声),因此越来越热门,内容较线性难一点,前期主要是简单波理论下理解非线性波的物理,后期是针对不同问题提出不同模型来解决。

其中声学基础是重头戏, 着重建议学习南大出版社的《声学基础》,其次以程建春的《声学原理》作参考。

英文教材对新手推荐 Beranek 的 Acoustics: Sound Fields and Transducers;Kinsler 的 Fundamentals of Acoustics;进阶看具体方向,在理论方向可看 Pierce 的 Acoustics. An Introduction to Its Physical Principles & Applications;Morse 的 Theoretical Acoustics;Pierce 的 Acoustics. An Introduction to Its Physical Principles & Applications.

这部分是最最重要的, 可以说得声基者得天下, 学好声基是理解声学现象机理的关键!

作者:jxzhong

链接:https://www.zhihu.com/question/26670321/answer/116040302

来源:知乎

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