声学的学科发展介绍:科学、技术与艺术的结合体

2021-09-10 21:12:15

导读: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。

一、声学的基本概念——声和音

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。

什么是声学?

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。

声学研究的频率范围

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10^4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。

声学研究的强度范围

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10^6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。

二、声学首先是一门科学

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。

 

声波的产生机制

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。

声波的传播和衰减机制

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

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。

声波的作用

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。