声学——科学、技术与艺术

  声学是一门具有广泛应用性的学科,涉及到人类生产、生活及社会活动的各个方面;同时声学又是一门具有很强交叉渗透性的学科,与各种新学科、新技术相互作用,相互促进,不断地吸收、应用和发展新的思想,增强了声学的生命力、竞争力和学术与艺术魅力。本文从科学、技术与艺术等几个方面,介绍了声学的学科发展,特别是在科学与技术上的新的研究方向与进展。

  讲到声学,当然首先就要讲什么是声音。所谓声,实际上有双重的含义,我们一般地理解,人的耳朵能够感觉到的声波的作用就称之为声,这么说大家都懂;但是从物理上讲,声是指在任何的弹性介质中传播的扰动,是一种机械波,从这个概念上来讲,声的范畴就很广。什么叫扰动呢?扰动是说在空气、固体或液体中的一个密度的、或者是压力的、或者是速度的一个小的变化,这个变化在这种弹性体里面就会传播出去,是能量传播出去,弹性物质本身并不传播,这么一个传递的能量就是声。在这么一个声的概念上,只要在弹性介质中有一个不稳定,就会产生声,所以声学研究的范畴相当的宽。

  经常和声相连的一个字叫音,我们中国人讲声音声音,什么是音呢?音的定义是能够引起有声调的感觉的这么一种声,讲通俗一点,就是有意义的声。我在讲话时发出的这个声,你的耳朵听到以后,能够体会到有某一种含义在里面,或者是感觉到了某种意思,这个就是音。我国古代对声和音的关系已经有很好的认识和定义,老子就经常讲到声和音的关系,如“音声相和,前后相随”,“大音希声,大象无形,大器晚成”等等,这几句连着讲,意思就比较清楚了,所谓“大音希声”讲的通俗一点就是说有理不在言高,只要你道理能够说清,并不在于你的声波能量大小,这里的声就是物理的声了,而音就是说话里面的含义。在这里老子对音和声的定义已经很清楚。

  一般讲到光学的重要性的时候,常说“百闻不如一见”,你听了很多遍,也不如看一眼,看一眼的信息量很大;但是声学有它的特殊性,大家都知道的一个成语叫做“未见其人,先闻其声”,一个比较熟悉的人从外边走过来,我们还没有看到这个人,就听他的脚步声,或者他在外边的嗓门很高,我们就听到是谁来了,然后就喊一嗓子说你赶紧进来,这就是声的特点。在没有看到,不透光的时候,你就能够听到它。这样声就有一些很特殊的一些应用,几乎所有的不透光的物体,都可以用声波来进行探测,比如说在海洋里面,水下光波和电磁波都衰减很快,对光来说,红外光波长最长,传播最远,到了几十米以下也就是衰减完了,所以到了海底是一片黑暗,这种情况下,声是在里面是唯一有效的、可以远距离传播的能量形式。

  另外大家知道,语音是人和人之间的交流的一个最直接的有效手段,大家每天都在用语言来沟通,实际上人的思考也常常是用语言来进行,语音是把语言表述出来的物理形式。这个声,现在不仅用于人和人之间的这种沟通了,实际上人和机器之间的沟通,人机对话慢慢的也发展为一种主要的手段。我们看计算机的发展,现在已经小到这么一个笔记本,而笔记本电脑若去掉一个屏幕,去掉一个键盘,里面还有多少东西呢?就剩下了一个芯片。所以如果计算机可以使用语音作为输入输出界面的话,体积还可以小很多,到处都可以方便地使用。

  声学的定义很简单,就是研究声波的产生、传播、接收和效应的科学。通俗一点,就是关于声音的学问,就叫声学。

  声音从产生,比如说由一个喇叭产生的声音,通过一种介质传播到耳朵接收,然后进入内耳,在内耳的皮层产生了一个响应,变成了电,电信号到了大脑进行处理,这就是一个完整的过程,从产生到传播到接收,一直到声音产生的效应,在这里就是在人的大脑中产生的反映了。当然接收的现在也不一定是耳朵,我们现在最常用的是话筒,声学上叫传声器,就是模拟人的耳朵,把声信号变成电信号;声波的效应实际上还会产生一些与物质之间的相互作用,和其它过程,如燃烧、流动这样的一些过程之间,都会产生一些相互的作用。这样的一些内容,都是声学要研究的东西。

  刚才讲到了声学研究的声波是一个扰动的传播,扰动就有快慢。声学研究的扰动是怎么样一个范围呢?广义的讲,声学研究的范围是从10-4赫兹开始,也就是每秒钟振动10-4次,反过来讲,就是一个周期104秒,非常非常慢。声学不研究直流,不研究平均流,这一块是力学研究的主要内容,静力学或者动力学,研究的是平稳的,变化很慢的。10-4到20赫兹,这个范畴我们叫次声,这是人的耳朵听不到的声,就是变化很慢的声音。实际上人的耳朵对声波的响应范围很窄,是从20赫到2万赫,在这个范围以外,人的耳朵都听不见了,所以在这个范围以内的声波称为可听声,2万赫以上的声叫超声。

  次声频段的声波在大气物理、地球物理中都有很多的用处,地震,还有台风,像前几天南中国海刮过的“尤它”,后来的“榴莲”等等一系列台风,都会产生次声,在几千公里以外,使用很灵敏的声学传感器就能接收到这种信号,然后可以处理,可以定位,台风在什么地方,强度的大小,都可以知道。地震波监测实际上就是次声监测,过去声学所在全国有很多的监测站,监测核爆炸产生的次声波,沿着地球的表面传播的情况。现在的国际核军控,声学的办法也还是一种监测手段。后来这些监测站,慢慢都移交给了地方的地震台站,因为它就是用来监测地壳振动。

  到了可听声的频段,大家就比较熟悉了。我们知道,走在马路边,感觉噪声很吵;到处使用的话筒、喇叭,都是电声的研究范围;在一个房间里讲话能不能听得清楚,就是建筑声学的研究范畴。当然语言、音乐,都是可听声的研究范围。到了2万赫以上,人的耳朵也听不见了,在超声频段声波可以干什么呢?大家最熟悉的可能是每年我们做体检,都要做B超,就是要用超声波来检测我们人体内有没有病变,有没有什么缺陷;另外超声还可以检查材料,检查工业上的一些东西;有一种大家很熟悉的动物把超声来作为它的眼睛来用的,那就是蝙蝠,它发出超声波,然后来探测它前面有没有障碍,随时拐弯,所以蝙蝠用的就是空气里面的声呐。

  声波的强度一般用声压表示。声压是指在平均压力水平(在空气中就是大气压)的基础上随时间变化的这部分压力,声压的变化范围我们从10-5帕斯卡,一直研究到106帕斯卡。对这样的一个强度范围,在表述和使用时很不方便,所以一般并不讲多少多少帕斯卡,也不讲压力是多少公斤大气压,那么用什么表示生涯的强度呢?是用分贝。分贝的概念现在已经用的很广泛了,大马路上都竖一个牌子说今天这个地方噪声多少分贝,那么分贝的概念是什么?实际上分贝代表的是人的对声音的主观反映。在视觉上,由于背景的不同,往往一样高的物体给人的感觉好像不一样高;把人的感觉强弱与原有的背景相关的这种普遍性是一个叫韦伯的人总结出来的,所以叫做韦伯定理。对声学而言,也有同样的情况。人的耳朵对声音响度的感觉,与强度的对数成正比,而不是单纯地与强度刺激本身成正比,这是什么意思呢?比如说我们的手的感觉,在手里什么都没有的情况下,放一个粉笔头上去,就能很容易地感觉到;但是如果先给他放上一块砖头,然后再轻轻地放一个粉笔头在上面,可能就很难感觉到了,这是什么原因呢?就是因为背景原来有了一个砖头在那里。这样的一个关系写成公式就是,感觉和变化量成正比,同时还和原来的基础量成反比,这个关系两边求积分,得到的就是对数。所以说声音的强度不是用线性量来描述的,而是用这样的一个变化量与基础量的比值的以十为底的对数值描述,单位是贝尔,纪念发明家贝尔。再乘以10,就叫分贝,就是1/10贝尔。这是对能量的强度刺激而言的,对压力而言,因为能量和压力的平方成正比,所以声压级是以声压的对数乘以20。

  用分贝的概念来表述声音强度的时候,我们所研究强度的范围,大概是从0分贝到180分贝。这里,0分贝到20分贝之间,实际上是人的听阈,每人不一样。一个比较健康的听力很好的人,可能能够听到0分贝的声音,听力稍微差一点的可能到了20分贝这时候才刚刚有感觉,所以低于20分贝是非常非常安静的情况。比如到了乡村连虫叫都没有的地方,也许能够找到这么一方“静”土,但是一般情况下,现在到处都是很吵,所以很难再有这么安静的地方,大概也只有在实验室还可以找到这样的一个区域。在这个以上,20—30分贝,是比较理想的休息的场所,比如说很安静的卧室、病房里,非常非常安静,这时候你能够听到放在耳朵旁边的手表哒哒的很响,蚊子叫也觉得很烦。到了40分贝,在一个不靠近马路边的比较安静的居民区里的书房或者是图书馆里,可以非常安心地看书、学习和思考的地方。一般的面对面的交谈,离的比较近,声级大概也就是50—60分贝。在一个商业的办公室里面,若有打字机、计算机等等,一般在60分贝左右,不超过70分贝,大家觉得就能够忍受。超过70分贝,到了80分贝,就是道路上平均的噪声情况,大型车辆通过的时候,就到了八九十分贝了,就会感觉很吵了。100分贝就到了施工工地了,现在每天大家听到灌水泥浆的声音,在那附近差不多就是100多分贝;还有时在马路上会看到工人在使用风钻,旁边的噪声就到100多分贝了,走过旁边,会觉得非常难听,非常吵。更高的声音,也不太常见,比如在喷气飞机起飞的时候,在100米以外,听到的差不多就是120分贝的声音。再高,比如说到喷气发动机25米的地方,就可能达到140分贝,这时候人的感觉已经不再是吵了,耳朵已经疼了。在朝上说,人的胸腔都要振动起来了,对人就有危险了。所以声学研究的范围是从差不多0分贝到200分贝,这可以说是极限,一般的到180分贝已经很难实现了,会产生严重的非线性效应,现在在实验室条件下可以实现180分贝的声强度。

  声学作为一门科学,首先要致力于描述、创造和理解人类经验的一部分,关于声波的、声波的效应的这部分。所谓描述,它是要建立声音这么一个范畴中的秩序和规律,要建立定律。在声音这个范畴里面,有各种各样的现象,声学就是要建立各种各样的方程、定律来描述这些现象;创造是要发现和发明一些新的东西,当然新的东西不是常常能够发明的,能够揭示我们过去不知道的声学现象,也叫做创造。比如说人耳的听觉机理,声音的刺激怎样变成电信号并进入大脑,像这样的一些现象都是通过研究了以后,找到其规律,就是一个发现和创造的过程。然后要理解,在理解一些声学现象的基础上,发展新的预测性理论。一个人在这边讲一句话,在远处听到的是什么样的效果,跟这儿讲的话有什么样的联系,类似这样的一些关系,都需要在理解的基础上建立起来一些规律才能说明白。所以我们说,声学首先是一门科学,声学的生命力也就在于科学的物理基础,有了这些基础,声学才能朝前发展。

  首先要研究的是声波的产生,比如在研究语音识别、语音合成这些技术性的问题之前,就先要理解语音是怎么产生的。现在我们知道,语音产生动力源于肺,肺产生压缩空气,然后通过气管、喉、口腔、鼻腔、牙齿、嘴唇等等这一套器官调制以后,再喷射出来,就产生了语音。专业的歌手发出乐音时,还要使用胸腔,而不仅仅是喉咙。

  目前的声波产生机制研究前沿,主要包括流致噪声、结构声辐射和热声学等几个方面。流致噪声研究的是流体的流动所产生的噪声,其应用很广,当前最困难的问题是湍流所产生的无规噪声。计算机中的风扇,潜艇在水下的运动,都会产生流动的不稳定,这种不稳定可以发展成为一系列的涡,涡流变化比较快的时候,就会变成更加复杂的湍流。现在我们知道,实际上湍流里面不是无规的,而是有序的,有一定的科学的规律,称之为混沌现象。掌握了这些规律,我们就可以利用声和涡之间的相互作用,来达到我们控制流场或者声场的目的,比如可以利用声波来控制涡的产生和发展,也可以把声的能量变成涡的能量耗散掉。

  热声学研究声与热之间的关系。大家知道,锅炉在燃烧的时候会产生很强的噪声,实际上只要有一个温度的梯度,建立一定的机制,就可以通过热的传导发出非常强的声音。有一个典型的实验装置,就是在管子的下面加热,可以很容易发出一定的有调声音,称之为“瑞可”管,这就是一种热声现象,由于热梯度的存在和某种声场共振的机制,热变成了声。反过来,声音的传播也可以有效地传热或制冷,这种新技术叫声制冷,现在已经用到航天上面,用来冷却红外探测头,它的优点是可以产生非常非常低的温度,一般的压缩机不可能达到的温度,比如到10K,就是负的261度。

  声波能量产生了以后是要传播的,因为根据声的定义,声就是扰动的传播。从我的嘴巴到你的耳朵,中间的这个过程,是不是说就是一个直线过去?不是这么简单,它实际上有各种各样的渠道过去,从地面反射过去,从天花板反射过去,从我背后的墙反射过去,像这样的一个复杂的环境,声波传到你的耳朵,变化已经非常大了,到底变成了什么样,就需要研究。如果不能研究清楚,建造了一个音质很糟的厅堂,这边讲的话,那边听到的声音可能很响,但并不能听懂说话人说的什么意思,传播的效果就没法控制,所以说就需要先认识声波是怎么传播的。在水下,因为声的传播非常有效,因而有很多用处,但是首先也要研究声波在水下是怎么传播的。美国从95年开始筹备,97年正式启动了一个国际性的声学大洋测温计划,在夏威夷附近的一个小岛边的水下,放置了一个大功率的声源,发出70赫兹左右的低频声波,然后在大洋的其它地方(包括在我们国家台湾以东)布置一些接收点,通过测量从声波发射到接收两点之间的距离和时间,就知道了声波的传播速度,而这个速度是和温度是有关系的,这种函数关系也是通过研究已经认识了的,所以就可以从发射点到接收点之间的大洋平均水温是多少。现在大家都很关心地球正在变热的问题,即所谓“温室效应”,但是短时间内平均零点几度的可能变化怎么去测量,到底是变了没变,是一个很困难的问题,测量的精度要求很高。声学测温提供了一种可能的办法,声波传播5000多公里,差不多要用一个小时,而测量的误差大约只有20到30毫秒,也就是说测量的误差不到十万分之一,所以这个误差是相当的小,足以校准确地给出大洋的平均温度。当然声波在水下的传播并不是那么简单,它受到海洋里面的内波、孤子等各种各样的因素的影响,对声波的传播速度、频率成分的变化和衰减都会产生影响,只有把这些影响都能研究得比较清楚了以后,才有可能去发展新的声呐和水下探测的技术。

  声波在水下的传播,上有水面,下有海底,这两个边界条件使得声波从一点传播到另外一点,不是一个随意的在空间自由发散形式的传播,而使得一些声波在水下传播的时候,衰减得非常厉害,又可能使另外一些声波可以非常有效的传播,形成所谓“声道”的传播特性,认识这样的一些规律性的东西对于水下信息的传递和探测都非常重要。

  五六十年代的时候,我们国家就开始研究声在水下的传播和声呐技术,为我国海军的发展做一些基础性的工作了。考虑到我们的经济实力和实际需求,我国老一辈声学家、中科院声学所的老所长汪德昭院士领导制定的水声学研究的发展战略是“由浅入深,由近及远”,也就是说因为我们发展海军的目的主要是为了保家卫国,看好家门,同时也没有钱,所以当时我们对水声学的需求主要在于沿海岸的浅海,先从浅海做起,由浅海然后慢慢过渡到深海,今天看这一战略仍然是非常实际,非常有远见的。通过几十年的发展,我们的浅海声学研究已经达到国际公认的领先水平,而多数的军事强国只是到了90年代,特别是海湾战争以后才充分认识到浅海的重要性。当然由于巡航导弹、潜射导弹的发展,深海也越来越重要,但是浅海声学的研究对发展深海声学有很好的基础作用。实际上因为浅海条件非常复杂,声道变化很大,多是楔型的,从岸边开始慢慢的越来越深;声学的背景也非常复杂,有很多的渔船等各种各样的干扰,在这种情况下,声波是怎么传播,怎么样衰减,都很有一些特点。

  另外一方面,声波在大气中的传播也是必须研究的内容,因为人类的大部分活动都是在大气中进行的,比较特殊的如次声,是有时会绕着地球转好几圈的,都不能衰减掉的这样一种声音,大气的湍流,大气层的厚度,温度分布、湿度分布等等这样一些变化,都会对传播会产生重要的影响,当然也需要研究和认识。因为我们经常需要探测固体中的缺陷或者结构,特别是对于不透光的物体,声波就是很好的探测手段,因此我们也要研究声波在固体中的传播。比如说要做B超,就要研究声波在人体的各种材料里面怎么传播,在肌肉里面怎么传播,在脂肪里怎么传播,然后到了骨头里面又是什么样的一个情况,然后我们才知道,那些是病变,那些地方是健康的东西,要不然检查出来一块骨头,当作肿瘤把它破坏了,岂不要出医疗事故了?所以像这样的情况,需要相当多的基础研究。

  声波的接收首先要研究听觉的机理,它是声学里面最让人感兴趣的课题之一,因为它直接与人有关。人感受到声音首先是通过耳朵,所以听觉一直是一个非常热闹的研究方向,也是声学里唯一得了诺贝尔奖的一个分支学科。整个来说,听觉机理包括几个学科的交叉。首先外面有声音传播进入到耳朵里来,这是一个物理的过程:声波从外面的一个扰动,通过传播,进入了人的耳朵,然后在鼓膜上产生了响应,带动了耳膜后的一个耳骨,耳骨的运动在耳蜗中,也就是在一个像蜗牛形状的这么一个东西里面,产生一个响应,耳蜗周围有一些毛细的细胞,会刺激里面的皮层,然后产生电的响应,到了这样的层次,就变成了一个生理的过程,也就是说声波传播到了耳蜗这个地方,就到了一个生理声学研究的范畴。然后再进到里面,声信号变成了电信号,进入人的大脑,产生的响应就变成了心理的东西,所以它后面是心理声学研究的范畴,所以这么一个听觉的机制是从物理的到生理的,然后到心理的,是交叉性非常强的一个学科,也是很容易出成果的一个地方。当然我们现在研究声波的接收,更多的时候不是用耳朵,而是用话筒,专业上称为传声器,研究怎么样把声音信号变成电信号,要研究声和电之间是怎么样转变的,什么样的材料会产生这种变化,什么样的结构能够有效地实现这种变化。

  非线性声学是现在国际比较热闹的研究方向,研究非常高强度下的声场及其作用,一个非常高的声级的声场,会对它里面的一些设备,或者是有生命的动物,都会产生非常大的影响。,比如说由于声音的作用会产生结构的振动,这个振动可能会破坏掉这个结构,现在卫星上天之前,首先要检查它里面的一些仪器设备,是不是能够经得住高声强的振动作用,称为声振实验或“声疲劳”实验,若是里面一个结构给振裂了,或者是某个元器件给抖掉了,卫星即使上了天,也什么事都干不了。另外高声强声场本身的研究也很有意思,要建立这么一个高强度的声场并不是很容易,往往我们需要用流场的能量来建立高强度的声场,因而先要认识声场和流场的相互作用。

  声波和燃烧之间的作用也是一个研究的热点,燃烧会产生声音,声又会反过来影响燃烧。由于燃烧产生了声音,那么在火箭的发动机里面,就有可能在局部产生非常强的声音,以至于把火箭的结构给破坏掉,产生裂纹,使火箭跑着跑着拐弯了,带来很大的问题。同时我们发现,在一个燃烧场里面,加入适当的强声波,还会产生一定的促进作用,破坏燃料表面的附面层,使得外边的热空气,直接和里面的燃料直接接触,就提高了燃烧的效率,像这样的过程,都非常有用,有非常强的应用背景。

  非线性声场的控制问题也当前研究的热点。比如新材料的研究中,低频时的能量耗散和衰减非常小,怎么样通过材料设计,使得低频的能量转移到高频去,以至于那个能量很容易衰减掉,这种材料就是一个非线性机制,声场与这个材料作用的结果,很容易把声波衰减掉,做出来了隔声材料、吸声材料,就可以很有效、很薄。

  在声学的效应研究中,声空化也是一个基础。在液体中,由于声波或者流动的作用,会产生一些气泡,研究发现,这些气泡在声波的作用下会发光,在破裂的瞬间还会产生非常高的温度,甚至非常高的电磁场,预期这个温度可以达到上千度,所以是一个非常有趣的现象,怎么样建立一个物理的方程来描述它,然后怎么能够主动的去控制它,很明显是一个挑战性很强的前沿探索性的课题。

  我们说,声学是一门技术,是因为我们可以利用已经知道的声学的科学原理,去改造人类的生存的环境,去发展适应人类需求的各种的方法和工具。科学院过去有一个礼堂被大家称为“四不要礼堂”,具体为什么叫“四不要”不太清楚,但是我们知道那个礼堂里面的声音很糟糕,大家去看电影,到里面什么也听不清楚,而且总是有回声。这样的一些情况,就是因为音质没有做好,没能利用声学的知识去指导建造一个好的声学环境。听说“四不要礼堂”还不光是设计的问题,因为当时开始设计的时候,据说请教过搞声学的人,给它提了一些建议,但是到了建造的时候,说没有钱,这个措施砍掉,那个材料砍掉,砍到最后做出那么一个效果来。类似的声学技术在许多的方面都要用到,比如说我们国家在60—70年代,发展过一种新的材料,用在导弹发射井里面,由于声强和温度都非常高,一般的泡沫材料、多孔材料都不可以用到那个里面去,但是在导弹发射的瞬间,会产生非常高的声强,这个高声强会产生振动,而振动就会使得发射不可靠,所以必须找到一种有效的手段控制导弹发射井里面的噪声。当时是中科院声学所的马大猷院士发明了一种新的材料,叫微穿孔板材料,在金属板上面穿一些非常微小的孔,使得这些小孔能够产生一些声学的阻尼吸收、耗散能量的作用,用到发射井里面,很好地解决了噪声的问题,而且不影响原来的整个结构形式。到了90年代中期,德国政府新建了一个议会大厅,为了保持政治的透明度,设计上有一项创意,围墙要是圆形玻璃的,周围是透明的,发言席在议会大厅的中间,议员席围坐在周围,这样形状上比较美观,更重要的是公民从外面就可以看到他们的议员在干什么,建成了以后,大家都觉得设计的很好。但是投入使用的第一天开会,议长宣布开会,吱地一声,电声系统叫了起来,然后整个系统就崩溃掉了,再讲话就没人听得见了,没有办法,议员们只好搬回了老的议会大厅。结果大家自然很气愤,说政府花了钱,造出这么一个玩意来,政府只好再去招标请声学专家来看是什么问题,有什么解决的办法。刚好在德国的夫琅和费建筑物理研究所,有一个来自中国的访问学者叫查雪琴,原来是广电部设计院的,她在国内的时候就知道马先生的微穿孔板理论,是在《中国科学》上发表的,于是就想起来能不能用这个东西去解决的国议会大厅的问题。因为不能破坏结构,还要透明,又要能够吸声,既要看得见,还要听的好。在这种情况下,查雪琴女士就想到了能不能用一种有机玻璃板,在上面打上微孔,既可以吸声,又不影响它的透明度。有了这么一个想法以后,他们就先做了一系列实验,然后应了标,一举解决了这个问题,非常有效,德国人就在报纸上说“中国人在德国的议会大厅上打孔”,产生了很大影响。这是一个很好地利用了声学技术的例子,从对微孔板材料的科学认识,发展出来这么一个技术,来改善人类生存所需要的环境。声学作为一门科学,产生的东西是“Knowledge”,是知识;那么到了这儿,它作为一门技术,产生的东西是“Know-how”,是技能,技巧这样的一些实用的东西。

  技术对声学来讲,是它的竞争力的所在。因为没有这样的一些技术,没有这样的一些应用的话,声学就很难在市场经济条件下生存。大概罗列一下,主要有如下的几个方面。实际上当然还不止这些,这儿所列的是比较常见的与我们的日常生活与社会密切相关的部分。

  声呐就是能够实现水下目标的探测,识别、定位、通讯还有导航等等功能的声学设备,相当于空气中的雷达,雷达是用电磁波来探测飞机等等一些空气中的飞行目标,到了水下就只能用声来探测水面与水下航行的目标。现在有一种新发展的反辐射导弹,当雷达发射电磁波去探测它的时候,它可以追着雷达的信号,把雷达站给打掉,在这种情况下,在空气中也发展了声探测的技术,特别是对低空飞行的目标,如直升机很低地飞过来,十几公里以外就能听到它的声音,这时候用声学的办法就可以探测和定位,然后还可以触发引信发射导弹去把它打掉,这是一种空气中的声呐技术。现在巡航导弹飞得很低,在海面上的时候可能是10米,到了地面上可能是几十米的高度,在这么低的情况下,雷达就很难搜索它,它跟地面已经差不多形成一体了,很难找到它,这时候用声学的办法就可以很有效。一些新概念的声呐技术,比如说用低频的远程主被动的探测声呐,使用几十赫兹的声音可以探测到上千公里以外的目标信号。合成孔径声呐也是一种高分辨率的新型声呐。大家知道,天文望远镜要做得越大越好,大了以后,可以看得更远,更清楚,为了能够探测得更远、更清楚,声呐也需要比较大的孔径,越大越好,但是孔径太大的话,对船、对潜艇都是一个负担了,因此就有了实际的限制,没办法让它太大。在这种情况下,人们设法在声接收阵运动的过程中,把接收到的信号一段一段地叠加起来,用运动的短阵代替长阵,孔径就等效地变大了,所以叫合成孔径。合成孔径声呐的分辨率可以做得非常高,美国发展的合成孔径声呐的分辨率可以达到20厘米,水下一个20厘米的球可以看得很清楚。用声学的办法还可以测量流速,比如说潜艇在水下走的时候,它自己很难判断自己在哪个地方,因为它可能走斜了,就像人走路一样,不知不觉间可能就拐弯了,潜艇如果不知道自己在那儿,就不知道钻到那儿去了。当然陀螺可以判断它有没有拐弯,但是它还要判断自己在沿着什么样的路径走,走了多远,速度多快,这样的一些功能,都是由一种叫做流速剖面仪的声呐来完成的。水下通信不像在大气中可以用电磁波,甚至可以实现地球这边和那边的无线通讯,但是到了水下电磁波传播不了,只有声波才可以有效地传播,但是声波在水下传播的时候,有的声音传播得很好,有的就传播得不好,如果丢掉了一块声音,身下的听起来可能就不是那么回事了,这种情况下怎么样能够实现高保真地传播,保证通信信号的传播误差减到最小,就是通信声呐要完成的工作。现在的潜艇前面安装了艇艏声呐,两侧安装了弦侧阵声呐,但是探测的距离还不够远,声呐的孔径还不够大,于是就在后面又拖了一个长辫子,这个长辫子可能长达数百米,由很多的声波传感器单元组成一个很大的阵,就可以实现非常远、指向性非常强的探测,这种声呐称为拖曳声呐。

  在当今社会,噪声几乎与每个人的生产、生活密切相关,比如说环境噪声的控制,北京新建了四环路以后,道路两边的老百姓就对交通噪声的污染非常敏感,有很多的投诉,于是政府的有关部门就非常重视,积极组织专家论证,看有什么办法可以降低噪声的污染,声屏障就是一种比较有效的噪声控制措施,上海的市内高架路建造了声屏障以后产生了很好的降噪效果,现在四环路的周围比较敏感的地区如医院附近已经架起了声屏障。同时在水下既然有了声呐,跟声呐相对的就是怎么样来降低目标的声学强度,比如说潜艇这样的一个目标,怎么样使得声音小一些,减小被声呐发现的机会,所以就有声隐身的技术,它实际上也是一种噪声控制技术,就是怎么样降低舰艇、直升机、巡航弹等等目标的噪声辐射。另外有一些产品的噪声也迫切需要控制,比如说家电,80年代曾做过一些调查比对,研究欧洲人、日本人和中国人对噪声的主观反映,结果发现中国人对噪声最敏感,原因是多方面的,住房比较紧张是其中一个比较突出的问题,家电用在我们的家庭里,因为住的房子非常小,电冰箱可能就放到卧室里面来了,当然很敏感。所以现在生产家电的厂家,都很重视噪声指标,重视新技术在家电噪声控制中的应用。现在在噪声控制技术中有一个新的方向,叫声质量研究。有时从声压级上讲几乎差不多的声音,听起来的感觉可能差别非常大,所以如果单纯的用一个强度的量值来描述它,就很难说到底哪一个噪声控制的效果好了。因此并不能单纯追求声级怎么低,我们国家现在电冰箱的噪声水平已经非常低,到了实验室都很难准确监测了,但还是有人去投诉,家电厂家觉得很不可思议,这么低的噪声怎么还有人投诉?用户就是受不了,说那个声音烦得不行,要退货。所以噪声不仅要低,还要能够被用户接受,能够好听,当然最好是音乐,而不是一个感觉很难听的噪声。声质量就是要研究人对噪声的接受程度。

  有源噪声与振动控制技术是当前的噪声控制技术中最先进的研究方向,它的物理意义是用声波来抵消声波。有一个需要控制的噪声,不需要再用任何材料和结构,只要能够另外发出一个声波来,使它与噪声的振幅大小一样,而相位相反(振动的方向相反),这两个声波叠加的结果,一个朝前推,一个朝后拉,噪声就被抵消掉了。这样的技术当然可以用在很多地方,比如可以设计一种智能窗户,窗户是要透气的,夏天很热,没空调只好开着窗户睡觉,但是开着窗户,风进来了噪声也进来了,如果能够使用有源噪声控制的办法,再产生一个声波,把噪声抵消掉,风是平均流不受影响,就可以很好地休息了。当然现在这样的概念,还只能用在比较小的空间,例如耳机里面,我们用随身听听音乐的时候,噪声和音乐都一起进到了耳朵里面,听起来很不清楚,这时在耳机中再发出一个噪声信号,把噪声抵消掉,把音乐保留下来,有选择地把音乐保留下来,听到的音乐就很干净了。

  现在到处使用的话筒、喇叭、音响、电声系统等等,把电信号转变为声信号,或者把声信号转变为电信号的技术都是电声的研究与应用范畴。当然现在研究的电声技术一般不再是这种市场上到处都在卖的东西,因为正在卖的东西已经没有很多可以研究的内容。当前比较热门的研究主要集中在新概念扬声器,比如强指向性声源和平板扬声器。使用两束很强的超声波,超声是人的耳朵听不见的,使两个超声的频率稍微有一些变化,由于非线性的效应,这两束超声会产生差频信号,差频出来的声音,刚好落在20到2万赫兹之间,人的耳朵就能听见了。因为超声频率很高,它的指向性就很强,而差频出来这个听得见的声音是跟着超声一起传播的,所以它的指向性也很强,而且衰减很慢,因为差频声波是低频的。这种强指向性的音频声源,在许多的场合都非常有用。喇叭对着你发出一个声音,你附近的人就听不到了,如果电视上使用了这种喇叭,那么看电视的人听到的声音就不会影响到家里别的人看书学习了。男同志喜欢看足球,一看看到12点以后了,家里老婆孩子要睡觉,用到这种技术可能就会好一点,不再影响旁边的人了,你可以干你的事,我听我的音乐,互不影响。平板扬声器一改现在的音箱又大又笨的形象,可以像一幅画一样挂在墙上,与现在的薄板平面电视结合起来,既节省空间,又美观大方。

  微型传声器是电声技术发展的又一重要方向,毫米以下大小的微型话筒加上微型的电路和耳机,做成的助听器可以像米粒那么大小,可以毫不费力地塞到耳朵里边去,而不要在外边挂一个盒子。还有直接植入耳朵的电子耳蜗,可以代替聋人的耳蜗,直接产生电信号的刺激。这样的一些新技术用到电声行业,自然可以大大地改善整个的人类生存的环境。

  语音信号处理技术解决的是人机对话的问题,研究语音的识别、合成、编码、翻译、传送等等。

  语音识别是指从语音到文本的转换,即让计算机能够把人发出的有意义的话音,变成书面语言;所谓语音听写机、语音打字机都是指这一类的语音技术。当有一天,键盘不再是计算机的主要输入手段,嘴巴讲讲就可以控制计算机,并且通过计算机控制所有的机器,人与计算机的交往就像人与人之间的交往一样简单,计算机就不再是专业人士的专利,它的应用也就更加无处不在了。还有一类识别是说话人的识别,是从语音到说话人的转换,既有时我们只需要知道是谁说了某句话,并不需要知道讲话的内容,有时也把这种识别称为声纹识别;“芝麻开门”如果认识的不是字音,而是说话的人,阿里巴巴就开不了宝库了。

  语音合成是指从文本到语音的转换,也就是要把书面的语言转变为语音,再通过喇叭发出来。这是目前最成熟的语音技术,已经有多家公司从事相关的产品开发,计算机会说话对许多没有时间、或没有能力阅读的人是一个极大的福音。计算机能听会说,就可以与人类实现交互信息的交流了。

  语音的感知与理解技术要求实现从词到义的转换,这就对计算机的智能提出了很高的要求。我们知道,计算机具有很强的计算能力,已经超过人类不知多少倍,但是它的智能却“还不如一只鼻涕虫”(英国著名天体物理学家霍金斯的语言)。要计算机具有人类的智能,首先它要像人类一样能够进行逻辑思维和形象思维,中科院声学所的黄曾旸研究员正在研究一种称为“概念网络层次理论”的语言理解技术,就是要教会计算机能够像人一样用语言来进行逻辑思维。

  语音编码与压缩是指在语音信号传输的过程中,为了减少传送的数据量而又不会造成语音信息的损失,首先必须对其进行编码,给出压缩表示,变成一系列的数字,到了接收端还要再不失真地变回语音(解码)。现在大家知道,IP电话比一般的电话便宜,为什么?就是因为IP电话把语音信号进行了压缩编码,变成了一个个的数据包,传送时不必再像过去那样两个人占用一条电话线,线路资源得到了充分的利用,成本自然就低下来了。

  其他的语音信号处理技术还包括语音增强、回声抵消和噪声抑制等等,都是为了提高噪声环境中语音信号的信噪比,改善语音的传送质量。

  超声的应用包括许多方面,上面已经提到超声检测,医学上超声还可以用来治疗,工业上还可以用声波来清除锅炉里面的积灰,可以清洗一些机械的试件。声学电子学也是当前一个非常前沿的技术发展方向,与声学的微机电器件紧密相关。

  超声无损检测和声能技术是目前应用很广的技术,在50年代曾经搞过超声运动,那时候当然是过头了,到处使用超声,烧稀饭里面也要加上超声,看看是不是能够煮得快一点。不过也不是完全没有道理,现在还有人在研究做酸奶的时候,加入声波的作用,确实可以发酵得效率高一些,当然现在研究的更科学一点了。超声无损检测利用了数字信号处理和超声成像这样一些技术,用在一些与安全直接相关的产品上,意义非常重大。比如说锅炉,有没有裂纹,用一般的技术就很难检查,只有用超声的办法,可以看到有没有裂纹,裂纹多大,多深,有没有危险。当然在医疗上的应用就比较多了,相对于X光,超声要安全的多,所以检查妈妈肚子里的胎儿也只能用超声。超声治疗方面多数人知道比较多的可能是超声碎石,用超声的办法把肾或者膀胱中的结石打碎了,就能够自动排出来,就不用做手术了,开刀把它拿出来就相对危险的多。现在还发展了一种技术叫超声治癌,就是把超声的能量聚焦在癌病变的地方,加热到80度左右,就可以把癌细胞组织烧死,同时又不会给周围的健康组织造成很大的伤害。

  声波除灰技术是强声场在工业中的典型应用,也属于声能技术的范畴,也不一定是超声,实际应用的结果表明,从次声到超声,只要声级足够高,就能产生较明显的除灰效果。锅炉里面的换热器表面上有了积灰,换热的效率就要下降,然后排出的烟气温度和一氧化碳、氮氧化物等污染物的含量就要变高了,产生大气污染,在这种情况下,在锅炉中加入一个强声场,可以很有效地清除换热器表面的积灰,不仅提高了换热器的效率,而且排出的空气污染也得到减小,对环境也有很大的好处。

  声学测井在石油勘探上已经成为一个很主要的技术手段。它是在勘测的位置产生一个小的地震波,然后在远处布置几个接收点,就可以测出地层下面的结构,判断有没有石油,然后确定这个井该怎么打,对打好的井也可以用声波检查井下的情况。

  声学微机电器件是指采用微电子工艺技术制造的,工艺特征尺度在微米至毫米之间,由声学、机械和微电子器件构成, 或依据声学的原理设计及发生作用的,能够独立完成一定的信号采集、信息处理和驱动控制作用的器件。主要包括三种类型:(1)微型声学传感器:实现声信号到电信号的转换,比较直接的有传声器、加速度计、水听器、惯性传感器等,间接的有微量气体传感器、生物传感器、温度传感器等。(2)声学微机电驱动器件:实现电学量向声学驱动量转换,如微型耳机、振动激励器、微泵、微喷、微输运、微聚焦器件、超声微马达,微振动冲击钻等。(3)微声处理器件:使用声学方法实现电信号、光信号或其他类型信号的滤波、调制等处理功能的器件,如声表面波器件、光声器件等。声学微机电器件使用微电子的制造技术,而不是常规使用的机械制造的办法,一个好处当然是体积小,另外一个最重要的好处是可以和集成电路做在一起,所以将来的传感器器件就不需要在后面再加上一堆的分离器件电路,逐渐地把后面的阻抗匹配电路、处理电路、分析电路,甚至于发射电路都集成在一块芯片上面,整个系统就可以做的非常小,做成片上系统。声学微机电的驱动器件,把电信号变成声信号,或者是用声信号来驱动泵,驱动马达,让它转起来,这样的一些运动的部件,可以用在微型的系统中作为驱动器。微声处理器件是一种比较特殊的器件,它首先把电信号变成声信号,经过声学的传播和调制以后,再从声信号变回电信号,中间本应由电信号完成的卷积、滤波的过程,让声学过程来完成,这些器件在无线通信等许多方面都有用途。有什么好处呢?好处就在于它小,原因在于声波的传播速度比电磁波慢很多,大家 知道,电磁波每秒钟要传播3×108米,而声波在固体中每秒仅传播一两千米,所以要实现同样的时间延迟,用声波的器件比用电磁波的导线以上的量级,这样器件就变的很小。现在大家使用的手机里面,最少的一般要用2片声表面波滤波器,多的可能用到4片,有的甚至更多。

  另外,由于声学对新技术的应用往往超前于技术的发展,声学对新技术会有很大的促进作用。例如,中科院声学所在数字信号处理与网络技术领域也很权威,甚至于发展了VCD、DVD、DAB(数字音频广播)、VoIP(IP网上的语音信号传输)等等新的编解码技术。消费电子和数字音视频是一个很好的方向,信息家电,数字电视、机顶盒,DVD,宽带的数据网络接入技术等等都与声学有着千丝万缕的联系。声学信号处理常常需要使用一些非常超前的数字信号处理的技术,比如说五六十年代,就开始研究语音合成、语音识别和编码的研究,那时候自然没有计算机,连晶体管都很难买得到,就用电子管来搭与非门,实现语音合成。在水声信号处理中,有时候用的芯片要很快,如果用很多器件搭起来,系统就很大,怎么办呢?就只好自己设计芯片,像这样发展了几十年,我们国家搞声学研究的在数字信号处理和芯片设计的技术方面,在一些特殊的数字器件设计与系统集成方面都有相当的积累,这也是声学与新技术相互促进的典型的例子。

  之所以说声学还是一门艺术,原因在于声音与人类的主观反应之间的关系,可以用来满足人类的精神生活的需要,具体体现就是音乐,音乐当然是一门很重要的艺术。声学的魅力,也在于艺术,有很多人来学声学,一开始以为是不是跟声乐有关系,跑这儿来学声乐。音阶1234567的语图画出来,就像一幅节奏感很强的图画,是一个很美的东西。都是声音,为什么音乐就好听?为什么有的声音好听,有的就不好听,这跟人的主观反映很有关系。对音乐进行仔细的物理分析,可以发现乐音的频率成分很和谐,因此人对和谐的声音就觉得比较美,就是音乐;然后分析语音信号,发现它里面有很多东西,既有和谐的,又有不和谐的、无规的噪声,但是我们能够听得懂它里面包含的信息,所以我们觉得能够接受,觉得里面很有意思;所谓噪声就是不需要的声音了,这是主观的定义。邻居家的孩子在练小提琴,父母听了可高兴了,觉得拉得真好听,但邻居可能很烦,我在这儿想看点书,那边一天到晚叽叽嘎嘎,真是难听死了,所以这种主观的反映差别很大。客观地讲,音乐、语音和噪声还是有一些差别的,大部分的噪声是完全没有规律的声音。从这个意义上看,噪声最复杂,人理解不了,所以就觉得很烦;音乐好像相对比较简单,所以人就喜欢听。

  总的来说,声学包括了三个方面的内容,有科学的,有技术的,还有艺术的,因此声学是这样一个学科,交叉渗透性非常强,有基础声学的方面,再加上一个非常现代的技术,数字信号处理技术,就能够跟各种各样的学科实现交叉,交叉的结果就实现了声学的各种各样的分支学科,实现了一个非常宽的学科面。

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