盘点那些与声学有关的交叉学科

引用 weixin 2017-11-20 16:10

本帖最后由 weixin 于 2017-11-20 16:14 编辑

水声学

　　水声学的研究范畴

　　声学的一个分支学科，主要研究声波在水下的产生、传播和接收过程，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。

　　声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动，在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好，水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。

　　水声学发展简史
　　1、水声学的诞生
　　1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。1912年“泰坦尼克”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。

　　2、近代水声学
　　美国的费森登设计制造了电动式水声换能器，1914年就能探测到两海里远的冰山。1918年，朗之万制成压电式换能器，产生了超声波，并应用了当时刚出现的真空管放大技术，进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。

　　随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。

　　3、现代水声学
　　第二次世界大战以后，为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力，水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如：水声制导鱼雷，音响水雷，主、被动扫描声呐，水声通信仪，声浮标，声航速仪，回声探测仪，鱼群探测仪，声导航信标，地貌仪，深、浅诲底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。

　　水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。随着海洋的开发，水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等方面的应用还将不断地扩展。

　　水声学的主要研究内容
　　现代水声学的研究课题涉及面很广，主要有：新型水声换能器，水中非线性声学，水声场的时空结构，水声信号处理技术，海洋中的噪声和混响、散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声，海洋媒质的声学特性等。特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成海洋声学等研究领域。

　　1、水声换能器
　　水声换能器是发射和接收水中声信号的装置，应用最广泛的是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能的水声发射器，以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。水是声阻抗率较高的媒质，因此要发射较大声功率就必须有较大的力。常用水声换能器按其基本换能机理分为可逆换能器和不可逆换能器。

　　20世纪60年代以来，为了实现声呐的远程探测，发展了不少新的换能材料、结构振动方式和换能机理;发展了工作在低频、宽带、大功率和深水中的发射器，具有高灵敏度、宽带、低噪声等性能的水听器;出现了新型的水声换能器，如复合压电陶瓷水听器、凹型弯张换能器、利用亥姆霍兹共鸣器原理制成的低频水听器、应用射流开关技术的调制流体式换能器、声光换能器等。

　　2、水声参量阵
　　分为参量发射阵和参量接收阵两类。它利用声波在水内传播时产生的非线性相互作用。如发射器同时发出两个频率相近的高频波(又称原波)，由于非线性相互作用，则还产生差频波及和频波，这也可看作为一种新的转换概念，参量发射阵利用的就是差频波。

　　参量发射阵可分为原波饱和与无饱和两种情况(饱和是当声波的振幅足够大时产生的，这时，近场原波的振幅不再随声源振幅的增大而增大)。

　　四种典型模式：
　　无饱和近场吸收限制、无饱和远场球面扩展限制、饱和近场限制、饱和远场限制。对这四种典型模式的理论研究结果与实验符合得很好。对无饱和的两种模式，差频波的声压都正比于两原波声压的乘积。

　　独特优点：
　　可以利用小尺寸换能器获得低频、宽频带、低旁瓣或无旁瓣、探照灯式的尖锐波束，应用于需要低频高分辨率探测中。参量阵已进入实用阶段，特别适用于海底浅层地质的勘探、水下埋藏物的探测、浅海特定简正波的激励等。

　　主要缺点：
　　效率很低。

　　参量接收阵近来也受到注意，其工作原理与参量发射阵相同，非线性相互作用在高声强的泵波和待接收的声波之间发生，在泵波的声轴上接收差频或和频信号。不过，参量接收阵的技术实现难度更大，实际应用为时尚早。

　　3、海洋中的水声传播特性
　　海洋及其边界(海面和海底)组成复杂多变的水声传播媒质，它的复杂多变性主要表现在随海区和季节而变化，从而有不同的传播规律。从声源发出的声信号在传播过程中逐渐损失能量，这种传播损失分为扩展和衰减。

　　扩展损失表示声波的波阵面从声源向外不断扩展的简单几何效应。但实际上声波经常是在类似于波导中的传播，可以在这种波导(称为声道)中定向性地传播很长距离。衰减损失包括吸收、散射和声能漏出声道的效应。

　　造成吸收的原因是海水的粘滞性、热传导性、海水中硫酸镁和硼酸-硼酸盐离子的弛豫机构。吸收使声强以指数形式随距离下降，吸收系数一般正比于频率二次方，因此远程声呐都选用较低频率。

　　造成散射的原因包括海中气泡、悬浮粒子、不均匀水团、浮游生物以及边界的不平整性，散射一般远小于吸收所引起的衰减。声能漏出声道的效应则因具体声道而异。

　　产生海洋传播声道的条件是海洋边界及特定声速剖面。声速剖面就是海洋的声速分层结构。海水中的声速是温度、盐度和静压力(深度)的函数。它大致分为三层：
　　      · 表面层中的声速对温度和风的作用很敏感，有明显的季节变化和日变化。
　　      · 主跃变层在表面层以下约千米深度内，温度随深度而下降，使声速也随深度下降，具有较强的负声速梯度。
　　      · 最下面的称为深海等温层，层中海水处于冷而均匀的稳定状态，声速随着深度的增加而增加。
　　      · 在主跃变层的负声速梯度和深海等温层的正声速梯度之间存在一个定速极小值(声道轴)，形成较稳定的深海声道──声发声道。


　　在沿岸浅海及大陆架上，声速剖面受较多的因素影响，有较强的地区变异性和短时间不稳定性。但平均而言，仍有比较明显的季节特征。冬季的典型声速剖面是等温层，夏季往往是负跃层或负梯度。

　　在浅海，由海面和海底构成浅海声道，声波在声道中由海面和海底不断反射而传播。海底的声反射特性，特别是小掠射角的海底反射损失，是浅海声场分析和声呐作用距离预报的重要参量，它决定于海底的底质和结构。

　　当声传播水平距离不特别远(几百千米以内)时，往往把海洋看作分层媒质，分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段。

　　4、混响
　　海洋中存在着大量散射体以及起伏不平的界面。当声源发射声波以后，碰到这些散射体，就会引起声能在各个方向上重新分配，即产生散射波。其中返回到接收点的散射波的总和称为混响。混响是主动式声呐的主要干扰，由产生混响的散射体不同性质，可分为体积混响、海面混响和海底混响。

　　对混响的研究大体上分为能量规律和统计规律两个方面。混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点，主要涉及混响强度同信号参量和环境因素的联系以及衰减规律。

　　5、自动检测技术
　　随着声纳信号处理技术的发展，接收机输出数据率不断提高，靠声纳员来辨认出目标并测定其参量是很困难的，这就发展了机器辅助检测和自动检测的技术。虽然水声信号处理的理论与雷达很相似，但由于水声信道的复杂性，仍有许多不同之处。

语言声学

　　语言声学的研究范畴
　　语言声学也称为语言通信，是近代声学中的一个分支学科，是用声学方法研究语言的产生、传递、接受和转换的一门科学。

　　研究方法：
　　语言是既具有自然属性又具有社会属性的复杂的信号系统。声学方法不但直接用于研究语言信号的声学特性本身，而且用于研究语言的心理特性和生理特性。语言分析、合成和感知是语言声学研究的主要方法。
　　      · 在研究语言时，声学特性是主要的;
　　      · 在研究音节时，便要考虑到音节结构;
　　      · 而在研究词句时，则又需要考虑语法和语意;
　　      · 因此，在语言声学研究中，还涉及到语言学和信息论。

　　语言声学发展简史
　　早在一二千年以前，人们便对语言进行了研究。由于没有适当的仪器设备，长期以来，一直是由耳倾听和用口模仿来进行研究。因此，这种语言研究常被称为“口耳之学”，所以对语声只是停留在定性的描写上。

　　19世纪60年代，亥姆霍兹应用声学方法对元音和歌唱进行了研究，从而奠定了语言声学的基础。

　　1876年电话的发明，以及电话通信的飞速发展，促进了语言信号的声学特性及其与语言感知的关系的研究。电子技术的发展，为语声的定量研究，提供了有力的手段。

　　20世纪40年代，一种语言声学的专用仪器──语图仪问世了。它可以把语声的声学特征用语图表示出来，从而得出了“可见语言”。这对语言声学的发展作出了重要贡献。

　　50年代对语言产生的声学理论开始有了系统的论述，到了60年代语言声学研究得到了计算技术的帮助，使得过去受人力、时间限制的大量的话声统计分析工作，得以在电子计算机上进行。在此基础上，语言声学不论在基础研究方面，还是在技术应用方面，都取得了突破性的进展。

　　反过来，电子技术和计算技术的发展，又对语言声学提出了新的课题。当前，计算机的语言输入和语言输出、自动应答装置、自动语言识别、嗓音鉴别、语言理解系统等，都迫切需要对语言信号的许多基本问题作出新的解答。

　　语言声学的主要研究内容
　　1、语言的产生
　　根据声学观点，语言的产生可分成三个部分：

　　声源激励、声道调制和声波辐射，其中决定语声性质的是声源激励和声道调制。

　　语言产生的研究内容包括：
　　激励声源的特性、发声器官的工作状态和声道的声学性质等。

　　研究方法：
　　大多是用电-力-声类比的方法，以建立声带波产生的模型、声道模型和语言产生的参量模型。

　　实验表明，由声道形状决定的共振峰，是主要的信息要素。目前，从语声中准确地分离出声源特性和声道调制特性来，还存在许多困难。为研究语言的产生，除对语声的物理特性进行研究之外，还对发声生理进行研究，如利用肌电图配合声学测量，来研究发声器官的肌肉活动。

　　2、语言分析
　　语言分析是用分析的方法来研究语言的自然特性。主要内容是：分析语声的时间特性和频率特性，以及发声器官的发声分析。

　　语声的时间特性和频率特性包括：
　　波形、长度、强度随时间的变化、短时间相关函数和功率谱、短时频谱分析、长时平均功率谱、共振峰分析和基频分析等。

　　在说话时，语声是处在语流之中的。从一个短暂的时间窗口去观察语声的声学特性，便是短时频谱分析，而长时平均频谱则表示语言的统计平均特性。共振峰分析，是根据语音的频谱和语言产生的原理，推算出声道的共振频率。

　　3、基频分析
　　从语言波中提取出声带振动的基本频率。研究方法既可以测量基频本身，也可以利用谐波来求出基频。

　　基频随时间的变化方式，构成了声调和语调，它们是重要的语声特征。在专用的语言分析设备问世以前，曾采用浪纹计和示波器分析语言波形，以后又使用滤波器组或频率分析仪。但是，对于大量的多变的语声来说，这些分析方法都有很大的局限性。因此，对语言特性的认识也受到一定的限制。

　　40年代出现的语图仪，可以把可听的语言描绘成可见图样──语图。这便是所谓“可见语言”。语图可以表现语声的三维特性，横轴代表时间，纵轴代表频率，而黑度代表强弱。语言频谱显示设备可以在一个电视屏幕上把说的话用语图的形式显示出来。此外，还发展了许多用于语言分析的专用软件，以便于利用计算机进行语言分析。

　　4、语言合成
　　用人工模拟语言产生的过程，以合成出语言来，供直接应用或进行研究。最初是用机械的方法来模拟人讲话，在18世纪便做出了可以产生连续语言的机器。一直到20世纪30年代还在研制结构更为复杂的机械发声装置。它们所发出的语声的音质都很不好。

　　1939年出现了所谓语言合成仪，它是用电子线路来模拟发声器官的动作，其工作方式很像电子琴。一个受过训练的人，可以用它“演奏”出可以听懂的语言。

　　另一种语言合成方法称为语图还音。把语图用墨线画在透明胶带上，再用一个音轮调制线光源来照射走动的胶带。根据胶带透射过去的光通量的变化放出语声来。由于在绘制语图时改动方便，所以语图还音装置曾在语言合成中起过重要作用。

　　20世纪50年代开始采用传输线来模拟声道。既可以整体模拟，也可以分段模拟。由一个适当的电源激励，经过放大器和扬声器，便可发出语声来。改变传输线的参量，便可以发出不同的语声。

　　现在，利用电子计算机，根据语言产生的原理，把它写成一些发声规则和参量，再将其组合成语言。

　　5、自动语言识别
　　自动语言识别是根据语言信号的声学待征，有时加上语言的结构规则和语意线索，由机器认出输入的语言来。可以根据使用要求，由机器以不同的方式作出响应，如打印出与该语声相应的文字、符号，完成规定的动作等。

　　自动语言识别分为孤立单词自动识别和连续语言自动识别，自20世纪50年代开始系统而广泛的研究。

　　自动语言识别的实现，面对着三个重大的语言声学基础课题：
　　      · 首先，语言知觉的基本单位是什么，是音素、音节还是单词;
　　      · 其次，是否存在音素的心理常量，如果有，它是什么;
　　      · 最后，如何对连续语言进行分段.

　　研究现状：
　　      · 对单个人小量词汇的自动识别已取得了较大的进展，有限词汇的、在一定条件下适用的自动语言识别装置，已进入实际应用。
　　      · 在更换发话人和扩大词汇容量方面现在还有困难。适用于多数发话人的、不怕环境噪声干扰的和无限词汇的自动语言识别系统还有待于大量的基础研究。

　　6、嗓音鉴别
　　嗓音鉴别也称为发话人鉴别，包括两个方面：发话人鉴定和发话人辨别。

　　发话人鉴定是根据发话人已有贮的嗓音(口声)材料，与发话人现时提供的材料相比较，鉴定是不是发话人本人在说话。这可用于银行业务中，存款人用嗓音代替印鉴，以便于通过电话来办理存取手续。

　　发话人辨别是从大量的已有的嗓音样本中，辨别出哪一个与发话人的嗓音最相似或者与它们都不相似。

　　与自动语言识别不同，嗓音鉴别在于利用语声中代表发话人个性特征的部分，而自动语言识别则是利用不同发话人或同一发话人在不同时刻发同一语声时的共性特征。

　　鉴别方法：
　　嗓音鉴别多采用听音-看图法，即由有训练的专业人员审听嗓音材料、检视语图特征──声纹，以作出判断。嗓音鉴别已在法律程序中作为一种证据使用。

　　7、声码器
　　根据工作原理，声码器分为：

　　通道声码器、半声码器(语声激励声码器)、相关声码器、谐和声码器、共振峰声码器、线性预测声码器和同态声码器等多种，发展较多的是通道声码器和线性预测声码器。用声码器来压缩语言信号的数码率，是实现人-机对话的重要手段。

　　声码器是达德利在1939年发明的，由于语音质量较差、体积庞大、造价高昂，以致很长时间未能获得广泛应用。近年来，应用大规模集成电路做成的声码器，已可随身携带，其音质与普通电话相仿。因而不仅可用于政府首脑通信和军事通信，而且已开始进入商用通信。

来源：节选自《声学——与声学有关的交叉学科》PPT

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