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声学首先是一门科学

发布时间:2021-01-05 10:24人气:

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。
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。

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