个性和声音:赫尔曼·路德维希·亥姆霍兹-从基础物理学到听觉和心理声学的生理学

在这篇文章中,我将开始致力于科学家的下一个传记周期,因此,我们对声音的物理本质非常了解。

我的选择并非偶然,因为赫尔曼·亥姆霍兹(Hermann Helmholtz)奠定了诸如声学,电动力学,听力生理学,心理声学等科学知识领域的基础。 很难高估这位科学家对物理学的贡献,尤其是对声学的贡献。 关于音响设备和乐器,很难想象没有使用此人的发现和研究的任何事物。



亥姆霍兹首先创建了声音合成器的机电原型,描述了听觉机制,建立了人耳模型,证实了声音的波动性。 这位科学家属于音色的第一个,也是最和谐的定义之一(根据Aldoshina教授,确定了该领域100年来对声音的研究),谐振器的创建以及弦线振动的详细研究。 作为他那个时代的真正儿子,亥姆霍兹不仅从事声学方面的工作,而且还从事数学,电学,心理学,热力学,光学,生理学,医学,气象学的研究。

换句话说,亥姆霍兹从事的一切在他时代都可以称为创新的事物,都是科学和进步的先锋。 正是亥姆霍兹(Helmholtz)在19世纪中叶到晚期成为德国体育界的领导人之一。 德国研究中心最大的协会以他的名字命名并非偶然。

天才的童年:人文主义民族主义者的儿子,平庸的体育馆


德国亥姆霍兹出生于1821年8月31日,是由一位语言学教授费迪南德·亥姆霍兹(Ferdinand Helmholtz)一家人出生的,他是德国老师,波茨坦体育馆的副院长和美国籍家庭主妇卡罗琳·亥姆霍兹(nee Penn)。

有趣的是,科学家Augustin-Ferdinand-Julius Helmholtz的父亲在柏林大学学习了神学,后来在德国语言学系(即德国语言学)完成了他的研究。 是对骨头骨髓的人道主义者。

作为一个梦想着复兴德国的真正民族主义者,费迪南德中断了他在大学的学习,并作为一名志愿志愿者在1813年至1815年参加了敌对行动。 1820年完成学业后,奥古斯特·费迪南德(August Ferdinand)代替了波茨坦体育馆的一名老师,并于同年与卡罗来纳·佩恩(Carolina Penn)结婚。 一年后,长子诞生了,他注定要成为一个天才,并且改变(并在某些情况下会改变)当代人对大量现象本质的看法。

奇怪的是,小时候,德国的亥姆霍兹(Helmholtz)没有天才的迹象,从原则上讲,它对充满​​希望的未来没有希望。 根据父母的回忆,这位未来的科学家非常痛苦,从小就患有记忆障碍,很难区分左右两侧。 赫尔曼在父亲教书的体育馆里学习,他是一个非常平庸的学生,语法有问题。 考虑到父亲的教育,后一种情况尤其奇怪。

但是,人道主义能力的不足被对精确和自然科学的偏爱所抵消,这些自然科学是物理学,生物学和数学。 根据这位科学家本人的回忆录,即使在他上学的时候,他对光学也很感兴趣,并且作为一名体育学生,他制定了几个光学定理。 但是,亥姆霍兹的才华却没有被体育馆的老师接受,而赫尔曼在17岁那年就以不太出色的证书完成了学业。

医生中最好的物理学家


尽管未来科学家家庭的社会地位较高,但父母的经济状况不允许年轻的亥姆霍兹自费学习。 作为替代方案,在亲戚的推荐下,赫尔曼选择了一名军事外科医生的职业。 年轻人的选择可能受到成功服兵役的经验和他父亲的信念的影响。

据信,这一选择是由于有机会在弗里德里希-威廉(Friedrich-Wilhelm)皇家皇家医学外科学院获得免费教育,并有义务担任军事医生8年。 成功从大学毕业后,Helmholtz在波茨坦在家中练习。 在波茨坦“军营”舒适的“医疗环境”中,医生和物理学家一直生疏,直到1848年,由于科学领域的正当工作,他没有从州分配中获得“早期释放”。 应该注意的是,在服务期间,亥姆霍兹(Helmholtz)找到了研究的时间和机会。 科学家的这一时期与基本物理定律领域的发现有关。

科学家早日终止服兵役是由于洪堡的请愿书,他敬佩亥姆霍兹的专着《论保存强度》(Überdie Erhaltung der Kraft),向物理学家的权威施加了压力,使之成为欧洲科学界的佼佼者。 在这项基础工作中,亥姆霍兹支持Mayer的节能法,更精确地制定了该法,没有任何关于其存在的辩论空间。 后来,这位科学家将在化学过程中的节能方面投入更多工作,并于1881年形成了自由能的概念。


在服役后的1848年,亥姆霍兹(Helmholtz)成为柏林艺术学院的解剖学教授。 但是,他担任这个职位不到一年。 一年后,德国科学新星的荣耀为他带来了生理学和病理学教授的头衔,并在著名的科尼斯堡大学中占有一席之地。

与物理学并行,Helmholtz从事生理学领域的研究。 这位科学家的重点是听觉和视觉,以及神经生理过程和神经纤维的生长。 许多人认为这位科学家是现代认知心理学,神经生理学和神经病学的“曾祖父”之一。 正是他首次尝试描述了无意识过程对知觉的影响,注意到了心理与肌肉反应之间的关系,并开始了记忆过程和经验积累的研究。


在对物理学家这一时期的研究中,可以发现神经冲动的传播速度。 同时,亥姆霍兹正在积极尝试光学。 积极的研究正在结出硕果,在1850-1851年间,科学家发明了一种检眼镜和一种检眼镜,其装置将在医学和科学实践中占有一席之地。


声学发现与发明


在整个科研工作中,这位科学家怀着极大的兴趣开展了与听力生理学和心理声学有关的研究。 在1849年至1850年间,科学家发现了腔体中的声共振现象(亥姆霍兹共振),并且为了分析声信号,创建了一种特殊的设备-共振器。

亥姆霍兹共振器-亥姆霍兹(Helmholtz)发明的一种具有开放颈口的球形铜容器,用于分析声学信号,基于亥姆霍兹(Helmholtz)和瑞利(Rayleigh)观察到的现象,已经开发了这种共振的定量理论。


如今,亥姆霍兹共振器的原理已广泛用于房间的声学处理,音乐厅,陈列室,录音棚,消声室以及汽车消音器的创建中。




吸音板,其中应用了亥姆霍兹共振器的原理

1855年,这位科学家成为波恩解剖与生理学系系主任。 在这个位置上,1856年,科学家仔细研究了感觉的生理学和声学的物理基础,从而创建了人耳模型,从而可以研究声音对人耳器官的影响。 同年,Helmholtz探索了组合音,为研究声波的非线性失真奠定了基础。 创造了组合音的理论,亥姆霍兹是第一个引起人们对听觉非线性,尤其是耳膜非线性的关注的人。

1858年,这位科学家再次改变了工作地点,成为海德堡生理学系主任,在那里他继续进行物理,生理,心理声学研究。 在1850年至1870年之间(没有确切的时间信息),亥姆霍兹开发了现代合成器的首批原型之一,该设备使您可以通过按相应的键以机电方式接收所需频率的声音。 目前,该装置被称为“用于连接10个谐波的音调的大型亥姆霍兹装置”或傅立叶合成器。



在研究声音特性的过程中,亥姆霍兹首次给出了音色的科学定义,数十年来,这种声音属性的研究人员将依靠该定义。

“音色是指音调(音色)的音乐质量上的差异,仅取决于部分音调(泛音)的存在和强度,而不取决于这些部分音调进入合成的相位差。”

只有在20世纪70年代才能补充音色的和谐概念。

在众多有关听觉的声学和生理学的著作中,亥姆霍兹最终证明,包括听觉在内的各种感觉都是物理性质的。 当时流行的学说是根据神学方法将感觉和感知解释为一种不可理解的精神行为。

世界的认可与德国科学的落日


1870年,这位科学家成为普鲁士科学院院士,在那里他领导着第一所物理系,后来领导了物理研究所。 在此期间,亥姆霍兹专注于电动力学研究。 这位科学家将继续进行积极的科学研究,直到他生命的尽头。 将研究与积极的教学相结合的同事的勤奋和不知疲倦使当代人感到震惊。

我要指出的是,声学在科学家中占有的地位不容小,,在某些时期甚至比物理知识的其他领域还多。 同时,该科学家在世界科学环境中获得终身认可,主要用于基础和数学物理学领域的研究。 当亥姆霍兹声学研究得到实际应用时,人们对Helmholtz声学研究的理解和意义就来得晚得多。


在亥姆霍兹研究的学生和合作伙伴中,这些科学家的名字包括:V. Wundt,G. Herz,L. Boltzmann,I.M.。 塞切诺夫(D.A. Lachinov) 斯托列托夫(K.A.) 蒂米利亚耶夫。 这位科学家的立场雄辩地说明了它对世界和德国科学的重要性:物理学研究所所长,柏林大学校长,帝国物理学和技术研究所所长。 亥姆霍兹(Helmholtz)在英国,布拉格和圣彼得堡科学院的会员资格证明了其国际认可度。

在生命的尽头,这位科学家经历了越来越多的记忆问题,这是他从小就熟悉的问题,但是他仍在继续工作和狂躁地教书。 1894年9月,死亡超过了柏林的一个天才。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN403553/


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