三、声学还是一门技术 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。 声呐技术 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。 噪声控制技术 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。 电声技术 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。 语音技术 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。 超声技术 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就要小105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。 四、最后，声学还是一门艺术 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。 本文来源于中国科学院<青年论坛>，作者：中科院声学研究所所长、研究员田静。 |
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