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声学的学科发展介绍:科学、技术与艺术的结合

发布时间:2021-01-08 10:24人气:

声学的学科发展介绍:科学、技术与艺术的结合体
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。

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