当代物理前沿专题之五声学.doc

当代物理前沿专题之五声学 汪德昭 应崇福 李启虎 张家騄51 一门古老而又年轻的科学152 声学的基本概念与理论553 听觉、语言和音乐854 超声及其应用1355 声与海洋1656 声信号的数字处理2051 一门古老而又年轻的科学 511 声学的研究对象声学是物理学中发展最早的学科之一它是研究机械振动在弹性媒质（气体、液体或固体）中传播规律的学科它的起源可追溯到古代人类对于听觉、语言、音乐等的认识，到19世纪中叶，便已发展为一门体系较为严密的学科，当时瑞利所著的声学理论就是一部总结经典声学理论的巨著20世 纪以来，声学的研究对象已从“可听声”延伸到人耳无法听到的次声和超声、特超声，其应用范围已遍及国民经济各个部门及国防和人类的日常生活声学与其它学科互相结合互相渗透，形成了不少新的边缘学科如电子音乐、语言合成、语言识别、声呐工程、激光超声、超声诊断和超声医学等声音是一种机械振动的传 播我们人类生活在一个充满声音的世界里在空气中的某一物体一旦发生振动，它就会引起物体周围媒质的运动，这种运动会一直向远处扩散开来，物体的振动也就被带到四面八方了当这种振动传到我们耳朵里时，会引起鼓膜的同样的振动，这种振动经过一系列复杂的传导到了大脑的听觉神经，我们便有了声音的感觉显 然，没有空气，我们就听不见声音所以要听到声音，有两个很重要的条件，一个是振动的物体，一个是传播这种振动的媒质空气、水和固体都可以是传播机械振动的媒质声音在传播过程中还会引起 物质的光学、电磁学、力学、化学性质方面的变化，而这些变化反过来又将影响声音的传播同时，声音的刺激会对人类生理、心理发生作用并引起某种变化所以，声学研究的范围很广，分支很多，粗略地说来，包括大气声学、水声学、电声学、超声学、建筑声学、音乐声学、语言声学、心理声学、生理声学等 512 声学发展简史现代声学的研究可以追溯到英国的伟大物理学家牛顿的工作他在1687年推导了声速公式，但因为用错了常数，使实际测量的声速值与理论不符直到1816年，拉普拉斯提出气体的弹性恒量应采用绝热过程（而不是恒温过程）的弹性恒量，而使理论与实测的值达到一致德国人克拉尼（17561827）是实验声学的创始人，他的名著声学是声学方面的第一本教科书，出版于1802年一般认为，现代声学基础的奠基者是杰出的英国物理学家瑞利（18421919）他在声学、振动理论、光学理论及热辐射方面都有贡献他于1877年发表了声学理论，基本上完成了声学的数学理论声学的发展和无线电电子学的发展是分不开的这里首先要提一下的是能把电信号变成声信号和把声信号变成电信号的换能装置1861年赖斯发明了第一个扬声器他在磁棒上绕上线圈，然后把它放在一个共振匣内，当变化的电流通过线圈时，由于电磁感应，线圈发生振动，通过共振匣发出了声音1877年美国大发明家爱迪生发明了机械留声机它由一个用锡箔包着的圆筒和装着针尖的膜片组成当人对着话筒说话时，声压就从膜片传到针尖，转动锡箔圆筒，针尖就在锡箔上刻出沟纹这一发明使人类第一次可以把声音存贮起来水声方面的奠基性工作是法国物理学家朗之万（18721946）完成的他于1914年利用电容发射器和一只放在凹镜面焦点的磁粒微音器在水下进行实验，接收到了海底回波以及200m以外的一块装甲板的回波1917年设计了第一台实用的回声定位仪利用它，人们第一次收到了潜艇的回波此后水声在军事上的应用日见显著，特别是第二次世界大战，促使各国科学家从事声呐的研究，使水下反潜战的技术水平有了巨大的改观美国海军实验室的乌立克博士总结了他近30年的工作，发表了水声工程原理一书，可以说是对这方面工作的一个很好的总结目前水声学已不只在军事上获得应用，在海洋开发方面也有许多应用例如近海油气田的数字地震勘探，大洋测温监视全球环境，失事飞机、海难救助的定位等超声在医学方面的应用开始于70年代1972年发明了一种可以显示人体内脏器官的超声仪器，即B模式扫描超声诊断仪（俗称B超）将它用于产科诊断，获得了满意的结果此后，各种不同体系结构的B超大量投入市场目前，高分辨的彩色B超所得到的图像可与解剖图媲美近年来超声方面的一个重大进展是声表面波器件1885年，瑞利在理论上预言声波在某些固体上传播时，能量将集中于表面1965年第一次用叉指换能器有效地产生了声表面波于是声表面波器件获得了广泛的应用目前已在电视、通信（无绳电话、寻呼电话）及雷达等方面使用声表面波器件次声学的研究也有很好的应用领域利用空气中的次声可以侦察核爆炸从1961年开始，美国在蒙大拿州的一块方圆几十平方公里的荒地上挖了深井，用于地震监视及侦察地下核爆炸噪声污染已与空气、水的污染并列为人类环境的三大污染，所以噪声控制就是各国所重视的解决环境问题的重要课题各种消声方法，包括减振、人为屏蔽、有源消声等正在一些工业领域获得应用在声学发展史中值得一提的还有生物声学其中蝙蝠和白鳍豚是两种在仿生学中有重大价值的动物20世纪初，美国生理学家葛拉姆包斯指出，蝙蝠会用喉头发射超声，而用耳朵接收回声，因而可以在黑夜中飞行与捕食我国特有的一级保护动物白鳍豚是美国学者米勒1918年根据洞庭湖上的标本定名的研究表明，它有非常独特的回声定位系统1980年1月我国在洞庭湖上捕获一头白鳍豚，取名“淇淇”，现驯养于中科院武汉水生所语言声学和生理声学是研究人类发声和语声，以及对声音感受的声学GS欧姆（17871854）提出了声音是由许多频率合成的概念亥姆霍兹发展了这一概念，采用谐振腔（我们现在正是以他的名字来命名的）对语言进行频率分析，从而奠定了语言声学的基础他还对人耳听觉进行过研究，开创了生理声学这一分支建筑声学的发展也很早，它和古代宫殿、教堂和剧院的建筑有关由于声波传播速度远比光波低，在室内传播时会发生多次反射而互相干涉室内任何一点的声强度都是一个相当复杂的量直到1900年赛宾提出了混响的概念，人们才对很多声学现象有了较好的理解 513 我国古代的声学研究我国是世界上的文明古国根据对现存的有关古书及文物的考证可以看出，我国古代有关声学方面的知识是从制造、使用乐器开始的早在公元前11世纪的商代，我国已能制造石磬（音qng）和成套的铜铙（音no）等乐器经过对河南安阳大司空村出土的商代后期铜铙的研究，可以推测当时已具有现代十二音律中的九律，并已有了五度谐音的概念根据汉书律历志记载，在西周后期（公元前11世纪）已用各种质料制作乐器，提出所谓“八音”，即土曰埙匏曰笙皮曰鼓竹曰管丝曰弦石曰磬金曰钟木曰柷中国是世界上制造乐钟最早的国家编钟是我国古代的一种重要乐器1978年在湖北随县出土战国时代曾侯乙编钟，附有钟架、配件，精美罕见墓葬时间为公元前433年全部3层，64件，总重超过2500kg这套编钟总音域跨五个八度，可以演奏出完整无缺的半音阶公元前43世纪间成书的墨经中有大量的有关声学方面的记载其中有一段关于利用挖地井埋缸听测地声的记录这种方法，现代仍在使用我国东汉时期的思想家王充（约2799）在论衡中曾有关于喉舌鼓动空气而发声的叙述到了明朝，著名学者宋应星明确提出声波的概念他在论气气声篇中指出“气体浑沦之物冲之有声焉，飞矢是也；振之有声焉，弹弦是也”明朝朱载堉（15361614）发明了音律中的十二平均律他的律学新说发表于1584年，比欧洲最早提出十二平均律的梅尔生早52年朱载堉在计算时，小数点后精确到第25位他的工作受到德国杰出物理学家亥姆霍兹的高度评价可惜，由于封建社会的局限，朱的十二平均律被认为是异端邪说而被扼杀了在我国，一些古建筑中还有一些巧妙地利用声音反射、共鸣特性的其中最著名的就是北京天坛的回音壁、三音石、圆丘此外还有山西永济县的莺莺塔 514 近代声学在国民经济、国防及人类日常生活中的作用图5-1给出了现代声学的各分支和它们的基础以及同其它科学技术的关系图5-1的 中心是基础物理声学第一个环是声学的分支学科第二个环是相关的应用学科及领域它的最外层是分属学科的五大类我们从图上可以看到，人类的活动几乎都与声学有关从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所声学的边缘学科性质十分明显，它不断有新的 生长点出现在第二个环和第四个环之间是一门与各学科都紧密相关的新领域，即信号处理理论与技术它是与现代蓬勃发展的计算机技术和微电子技术同时掘起的新领域物理声学和理论声学是各分支的基础它研究各种机械振动的原理和声波的收、发器近年来，非线性声学也有引人注目的发展音乐声学探讨各种乐器制作过程中的定音、音调及音色的机理，为向人们提供各种悦耳的乐器提供理论指导语言声学和生理声学研究人类发声和对声音的感受随着近代信息科学的发展，语言合成，语言识别的理论得到迅速发展人机对话系统正在成为研究的热点生理声学的研究和心理声学相结合为环境噪声的评价及噪声控制标准提供基础建筑声学为现代大型剧场、大会堂的设计提供声学指导，也为城市噪声控制提供标准对噪声和振动的研究还是和国防密切相关的课题火箭、导弹飞行时的振动及其控制一直是衡量它们总体性能的重要指标电声学的发展和近代通讯技术紧密相关通讯、广播及日常生活中所使用的各种高音质音响设备为丰富人们的文化生活起着越来越大的作用超声及其应用是近代声学发展最迅速的新兴分支超声无损检测、超声诊断、超声医疗已在工业及生活方面发挥作用水声学是近代声呐设计和海洋开发的技术基础军事上所用的声呐设备及海洋开发中所用的地震勘探设备、剖面仪等都是利用水声技术研制出来的 52 声学的基本概念与理论 521 声波与振动声学的基本理论在于研究振动与波的传播如果质点振动的方向与波的传播方向相同，就称为纵波如果质点振动方向和波的传播方向垂直，就称为横波在空气和水中，机械振动只能产生纵波在固体中除了纵波之外，还可能有横波图5-2表示在空气中机械振动所引起的空气疏密状态的变化质点的这种变化，使声能向四周扩散在声波传播的过程中，质点本身并不随声波向四周扩散，它只在某一固定点附近来回运动它的加速度总是与运动路径上离固定点的距离x成正比，而其方向指向固定点这种运动，我们称之为简谐运动它是周期运动的最简单的形式用微分方程来表示，就是它的解是x（t）=Asint+Bcost （5.2）其中A，B是任意常数，是圆频率，单位是rads-1（弧度秒-1）我们有时也用f=/2来表示质点每秒振动的次数，单位为Hz（赫兹）现代声学研究的频率范围为10-4Hz1014Hz如表5.1所示表5.1 声学中的频率范围范围名称频率/Hz范围名称频率/Hz次声10-420超声21041014可听声202104声波在媒质中的传播速率为其中E是媒质的弹性模量，单位为Pa（帕），是媒质密度，单位是kgm-3声波在15的空气中的传播速率为c=340ms-1，在淡水中c=1440ms-1，在海水中c=1500ms-1，在钢中c=5000ms-1声波在传播过程中把机械振动的能量向四周扩散声波的声强被定义为每单位面积上沿波传播方向传递的平均功率，即其中prms是有效（均方根）压强，单位为Nm-2（牛顿米-2），是密度，单位为kgm-3（千克米-3），而c是声速，单位为ms-1（米秒-1）由于在声学环境中会遇到量程很宽的声压和声强，所以通常把声强与某一基准声强I0的比值取对数之后来度量，也就是声强级IL=10lg（I/I0）dB（分贝） （5.5）I0也称为参考声强级声压级SL=20lg（p/p0）dB （5.6）其中p0是参考声压级在空气声学中，一般把人耳能听到的最低声压级（称为可听阈）取作参考声压级，这个值大约是p0=210-5Nm-2或20Pa（微帕）以此为标准，可以得到表5.2表5.2 声压级名称声压级/dB名称声压级/dB人耳最低可听阈0交响乐团演奏，10m处80普通谈话，1m之内60人耳痛阈声压120在水声学中，通常取p0=110-6Nm-2，即1Pa为参考声压一般千吨级的货轮的螺旋桨在航速为18kmh-1时，在离它100m处接收到的声压大约是90dB 522 波动方程具有质量和弹性的系统都能 作相对运动如果在一个给定的时间间隔之后，该系统的运动重复出现，这样的周期运动就称为振动振动产生声波为了刻划振动体各点的运动情况，必须了解物体振动时所遵循的规律这种规律的特点除了受物体本身的形状、质量及弹性特征的控制之外，也受到外界媒质及振动条件的限制描写物体振动的方程通常是二阶微分方程，称之为波动方程加上各种边界条件就可以把波动方程的解求出来这就是声波最简单的声波形式是平面波空气在受到扰动时，通常以纵向正弦波的方式通过三维空间传播假定在y和z方向没有压力变化，可以把沿x方向传播的一维自由行波定义为平面波波动方程是其中c是波的传播速度，u是瞬时位移式（5.7）的通解是u（x，t）=Aej（t-kx）+Bej（t+kx） （5.8）其中k=/c称为波数A、B是由初始条件和边界条件确定的常数除了平面声波之外，另一种简单的声波形式是球面波一个脉动球的表面在其平衡位置附近径向膨胀和收缩时，将使声波以球面波形式向外扩散在球坐标中，三维波动方程可以写成其中p是声压，r是从声源到波阵面的径向距离方程（5.9）的解是其中f，g是任意函数在直角坐标系中，一般的三维波动方程是其中p是声压，c是声速根据各种不同的具体条件（初始条件、边界条件）可以把式（5.11）解出来例如弦、棒、平面膜、圆板等的振动523 声波的传输声波的传输包含了声能在传 声媒质中的转移声波通过媒质行进时，会发生反射、折射、衍射、散射、干涉或吸收等现象声波在穿过不同媒质时是如此，在同一媒质中传播，只要媒质存在某种不均匀性（包括密度分布、温度分布、水中的深度分布等）也会发生这些现象下面我们分别说明声波传输过程中的基本量1声功率反射系数r对于正弦平面声波从一种流体媒质传输到另一种流体媒质，且沿两媒质的分界平面法向入射的情况，其声功率反射系数r定义为反射声能流与入射声能流之比，即其中为媒质密度，c为媒质中的声速和c的乘积称为这种媒质的声阻抗：Z=c从式（5.12）可以看到，如果两种媒质的声阻抗相近，那么反射系数r很小；如果两种媒质的声阻抗相差很大（例如水和空气的特性阻抗之比大约是3 560），那么反射系数近似为1声波无论是从空气到水还是从水到空气基本上全部反射回去由此我们不难理解，为什么在游泳池中，一旦我们把头没入水中就听不到空气中的嘈杂声音了2声反射 声折射每当传播声波的媒质中有间断或有两种媒质的分界面时，声波就会反射与折射它们分别遵循反射定律与折射定律参看图5-3反射定律是说，入射声波与法线的夹角（即入射角）等于反射声波和法线的夹角（即反射角）折射定律是说，折射角与入射角的正弦之比等于两种媒质声速的比，即根据折射定律，如果声波是从声速低的媒质往声速高的媒质传输（例如，从空气到水）就存在一个临界角c，超过这个临界角会产生全反射3声衍射声波遇到障碍物时，它们就绕障碍物的边缘延展，引起声的衍射现实生活中，声衍射的现象随处可见例如当我们在房间里讲话时，不是正对门口而在门外的人也能听到4声散射当声波碰到线度小于其波长的障碍物时，声波就朝各个方向散射一般来说，波长短的声波具有较强的散射效应5声干涉如果频率和振动方向相同，且相位差恒定的两列声波在空间相遇，它们不是彼此抵消就是彼此加强，这种现象称为声的干涉6多普勒效应当声源相对于波的传播媒质而运动，或观察者相对于媒质而运动，或声源和观察者彼此间以及与媒质有相对运动时，观察者检测到的声源频率将不同于声源所发声波的实际频率，这种现象称为多普勒效应观察者听到的声波频率是其中f为声源原来的频率，v是观察者相对于媒质的速度，u是声源相对于媒质的速度利用多普勒效应可以测定一些运动物体的速度坐火车的人都有这样的经验，当一列鸣笛的火车相对我们呼啸而过时，声音由低变高再重新变低，这就是多普勒效应的最简单的例子 53 听觉、语言和音乐经过长期的发展进化，人生 来便具有精细的发音器官和听觉器官一个人从呱呱坠地时起，便与声学终生密切相关语言是人类最重要的交际工具语言也是人类的思维工具通过语言人们可以传递信息交流思想，增强相互交往，促进社会进步音乐是人类文化生活中最重要的组成部分语言和音乐都是通过声波的形式来体现的人的听觉器官是最灵敏 的声音接收器所以，听觉、语言和音乐是人类最早开始研究的声学问题在近代信息社会的发展中， 人们创造出了各种信息机器，用以延伸人类天生的器官人工智能研究的成果，将逐渐使电子计算机成为名副其实的“电脑”当前，国际上努力实现的人类长期的幻想人机语言通讯系统，使声学研究进入了一个新阶段电子乐器，计算机作曲，机器演奏的交响乐，使音乐世界更加丰富多彩这些都是近代声学的热门课 题 531 听觉双耳是人的听觉器官，它非常灵敏人的听觉能感受到的最小声压已接近于空气中分子热运动所产生的声压，能感受的频率范围约为20Hz20000Hz，宽达十个倍频程（即十个“八度”）人耳能感受的强度范围约为10-12Wm-21Wm-2，大小相差1012倍1级和分贝在声学中声音的强度或压力常用级来表示，它的单位是dB（分贝），见式（5.5）及式（5.6）这样上面说到的人耳能听到的最小的声音与最大声音之间强度相差1012倍，也就是声级相差120dB2响度和响度级一个声音在听觉感受上有多 响，并不与这个声音的物理强度成线性关系所以在普通声学中，除了有一套物理量之外，与之对应的还有一套心理量，用以表示声音在主观感受上的程度一个声音有多响除了与它的强度大小有关外，还与它的频率高低有关根据世界上许多国家对不同种族的大量正常人所测得的响度级与声压级和频率的关系，称为等响曲 线，示于图5-4响度级的单位是phon（方）一个声音的响度级等于等响的1000Hz纯音的声压级与人的感受成正比的声音大小的量称为响度响度的单位是sone（宋）它是以响度级为40phon的声音的响度为1sone来定义的两倍响即为2sone实验表明，响度级每增加10phon，响度增加一倍3音调一个声音在听觉感受上有多高，主要与它的频率有关，但是它的强度也起很大作用如果一个声音里包含许多频率成分，它的音调高低就更复杂音调高低的心理标度单位为mel（美）它是以1000Hz，40phon的纯音的音调作基准，定为1000mel要是一个纯音听起来比它高一倍，即为2000mel，要是低一半就是500mel，依此类推4双耳效应人们判断声源的方向与距 离，要靠两个耳朵来接收，特别是觉察声源运动，从嘈杂的环境中倾听一个较弱的声音等，靠的都是两个耳朵的功能，这称之为双耳效应人们熟知的立体声就是利用双耳效应双耳效应的主要作用，来自于声音到达两个耳朵的时间差头部左右转动，可以提高声音定位的准确程度在有混响的地方，如音乐厅、电影院，定位 只依赖最先听到的声音在两耳的时间差，这是立体声系统的根据 532 语言语言首先是有声语言，是与 人类同时发展进化而来的人的发音器官也是一具复杂而灵巧的机器，它主要是说话和唱歌，当然也可以发出各种声音发音器官由肺、气管、声门、咽腔、口腔和鼻腔等构成口腔中又有非常灵活的舌头上腭、软腭、上下齿和双唇等部件肺是能源，声门由声带振动调制气流使成交变信号再经过声道（口腔、鼻腔、咽 腔）加以滤波形成不同的简正振动方式，由口和鼻（如果是鼻音的话）辐射到空气环境中便是语音了语言是由语音（包括元音和辅音）按一定规则编排组合而成在声学上来看，不同的语音特征，体现在它们具有不同的时间-频率特性上1语言频谱和动态范围人们日常谈话辐射的声功率平均约为10mW，耳语时最低声功率只有0.001mW；有训练的歌唱家最高可能产生1W的功率所以语言信号的功率是不大的，可是它所能传递的信息是无限的语言频谱有两种，其一是表示语言整体长时平均特性的长时平均频谱从现有的多种语言的测量结果来看，各种语言的长时平均频谱是大同小异的语言信号的频带约在100Hz10000Hz，主要频段约为100Hz4000Hz不传送基音的电话语言则定为300Hz3400Hz在每个频带之中语言信号的动态范围约为30dB再加上不同频带之间低频最强的频率成分（约在300Hz附近）与高频最弱的频率成分还要有30dB40dB的差别标准的正常说话声级，在距发音人唇部一米处的声级约为65dB（男人高些，女人低些）语言的另一种频谱是短时频 谱发音是一个连续慢变过程用短时频谱来表示不同语音的声学特征从声源看，语音声源可分为：准周期激励、噪声激励和脉冲激励三种有的语音是由它们三者的某种组合构成的，如浊辅音就可能是由第一种准周期激励（声带振动），再加上第二种或第三种噪声激励所构成（如汉语的浊声母r，英语的浊辅音b、d、g）由于声道的不同形状可产生出不同语音，也就有不同的简正方式，表现在语音短时频谱上，称之为共振峰2语言合成与语言识别人们早就向往着让机器说话和听话我国的“封神演义”和西方的“天方夜谭”都有着这种幻想有文献记载，我国唐代就曾有过用木头做的托钵僧，可以发出“布施”的音来这可以说是世界上最早的会说话的机器18、19世纪西方也有用机械方法合成语音的直到1939年才出现第一架采用电子线路的发音演示器其工作原理是利用电子线路来模拟语音激励声源，调整共振线路逼近语音频谱人用键盘操纵，经长时间训练可摹拟人说话现在采用数字信号处理技术和语言声学的基础知识与特征参数，已经可以合成出任何声音让机器能听懂人说话，从而 用口语指挥机器，做起来要更难一些其基本原理，是利用实时的信号处理方法，提取语音信号特征，根据机器受过的训练，即所存贮的语音特征模式和必要的语音学、语言学知识，来做出识别和判断，这称为语言识别语言识别可分为特定人语言识别和任意人语言识别又可分为孤立音节、孤立单词识别和连续语言识别广 义的语言识别，还包括说话人识别说话人识别又分两类，一类是说话人确认，即在已存有的某说话人资料的基础上，根据申请人的要求，确认申请者的发音与所存的资料是否同一个人另一类是说话人鉴别，是根据所存的一群人的发音资料，从中找出当前被鉴别的语音材料的发音人语言识别的一个目标是实现语音打字，50年 代就是以语音打字机来带动这一研究的除语言识别之外，在充分利用语法、语意的基础上，又发展了语言理解系统当把高层次的语言合成系统和语言理解系统结合在一起时，又可实现人机语言对话系统总有一天可以实现人与计算机打交道，不完全只靠键盘输入和打印输出这对公共场所的许多服务设施，有着特别广阔的 应用前景这里需要特别加以强调的一 点是，语言信号与其它信号不同，它是人类所特有的信号系统，我们除了要了解它的物理特性之外，还必须特别注意它的社会特性因为，语言是有民族特点和地区差别的在做语言信息处理时，单靠一般的信号处理技术是不够的，还必须辅之以句法、语意乃至语用分析 533 音乐音乐和语言一样久远，音乐声学是声学的古老的分支音乐声学的研究内容包括声乐和器乐两方面声乐方面也称歌唱声学，主要研究发音的机理，歌声的声学特性器乐方面主要研究乐律和乐器的声学特性音乐上把一个倍频程，如从某一频率为f的纯音到2f频率之间的间隔，称之为一个八度又把一个八度按频率比为21/12分成12等份，每一等份称为一个半音每一个半音又分成100音分两个频率f1，f2相比的音分数按下式来求音分数=1200log2（f2/f1）=3986lg（f2/f1） （5.15）现代乐器制造所用的标准音调是A=440Hz音分与音阶名称之间的关系见表5.3表5.3 音阶名称与音分音阶名称音分音阶名称音分音阶名称音分同音0大三度400小六度800半音100完全四度500大六度900全音200增四度600小七度1000小三度300完全五度700大七度八度11001200利用现代电子技术和计算机，根据音乐理论和声学数据，也可以实现计算机作曲和电子合成器乐演奏 534 音质与噪声控制音质是指房间或厅堂内的传 声品质对房间音质有影响的决定性因素是混响、声场分布和噪声房间是一个封闭空间，声波在房间中传播时碰到边界（墙面、天花板或地板）就会反射比较光滑坚硬的边界对声波的吸收比较小，因而声波可以反射很多次，这种现象就是混响从声源发出声音到衰减了60dB， 也就是声波的能量只剩下百万分之一，所需的时间称之为混响时间一个房间要是混响时间太长，在里边说话就听不清楚因为，前一个声音还没完全消失，下一个声音又到了，二者互相干扰比如，在大饭厅里听报告，就常如此混响时间要是太短，听说话自然清楚，可是听音乐就显得发“干”，缺乏余音和活泼感所以， 对不同的使用要求，有着不同的最佳混响时间混响时间除与房间里面的声吸收有关以外，还与房间的体积有关在同一个房间里不同频率的声音的混响时间也是不同的几种不同用途的房间，其最佳混响时间大致为：播音室0.5s（秒），音乐播音室1.0s，音乐厅1.2s，风琴音乐1.5s（房间容积1000m3，频率500Hz）房间体积加大，混响时间要加长人民大会堂的大礼堂有91000m3的体积，空场时500Hz的混响时间约为2.4s一个房间里的声场分布要尽量均匀，否则有的地方声音大，有的地方声音小，音质也不好除了经过特殊设计的歌剧院和音乐厅，大多数房间或厅堂，为了取得较好的声场分布，都借助于适当的运用电声系统，来改善房间的音质噪声的广义的定义，是任何不需要的声音当大气中存在对人们的生活、工作和健康有危害的噪声时，便形成了噪声污染有时也以噪声源的频谱特性来分类，如：白噪声便是一种频谱连续而且均匀的噪声，粉红噪声则是频谱连续但振幅随频率升高而有规律降低的噪声噪声可造成一系列危害非常强的噪声（160dB以上），不仅可以损坏建筑物，也使发声体本身因疲劳而破坏这种声致疲劳对火箭发射，飞机航行影响很大一般的噪声可使人烦恼，影响工作，妨碍休息和睡眠噪声级较强或持续时间过长也可能致病，最多见的是致聋因此，对工作环境和居住环境的噪声大小，各国都有控制标准现在多数国家采用的标准是每日工作8小时或每周工作40小时，A声级不得超过90dB；住宅区室外容许的噪声基本值A声级35dB45dB对不同的时间和地区，对上述标准值可加以修正噪声控制的一般方法是尽量降低噪声源的噪声辐射，其次是在噪声的传播路径上采取措施降低噪声的影响当上述办法仍不能达到满意的效果时，还可以采用一些防护设备，如耳塞、耳罩、头盔等护耳器 54 超声及其应用 541 超声的性质和特点超声是频率在20000Hz以上的声音，因此人类是听不见的不过有些动物能够听见较低频段的超声，像蝙蝠、飞蛾、蟋蟀、鼠、鲸鱼、海豚、海豹、海狮等从客观上讲，超声和可听声，除频率范围不同外，并没有差异但超声由于频率高，便具有一些特点，尤其重要的是，这些特点可加以利用，这正是人们所以研究超声规律的原因超声的特点之一很简单，就是听不见前面提到，声音来源于部件的振动振动除产生声波外，还可以产生其它作用，其中一些作用将在下面介绍如果我们激发振动的目的是这些其它作用，那么通常我们不想同时产生听得见的声音，因为这些声音这时是噪声在这种情况下，可以激发20000Hz以上的振动，既能完成一些其它功能，又不伴生干扰超声的第二个特点是波长小任何一种波动（声波、电磁波、等离子波等等）都有一些共同的基本参数，其中之一是传播速度（参见5.2.1）， 另一个就是波长声波是机械波，或说是力学波媒质中有声波传播时，原来是静止的媒质质点会以原占位置为中心作很微小（例如也许只几十纳米）的振动，每个质点在振动若干次后将恢复静止但这种振动的状态，由于媒质的弹性，会传给紧邻的质点，依次向下传递，可能传得很远，在海洋中甚至可传到1000km以外这种传递的速度就是声波的传播速度每个质点振动的幅度，叫位移幅度，位移幅度也是声波的基本参数之一振动的快慢是另一个参数，单纯振动时叫频率如前用c表示声速，并设f表示频率，波长即由式确定对于单一频率的正弦或余弦波，波长是波峰与波峰之间或波谷与波谷之间的空间距离超声频率高，因此波长小 这有两点重要后果一点是不必用尺寸很大的声源，即振动源，就可以产生指向性比较尖锐的声波定性地说，指向性描述声源所发射声束的狭窄程度，狭窄的象手电筒所发射的光，宽广的或说弥散的可象电灯泡所发射的光在许多声波应用中，我们需要前者而不需要后者可以证明，如果要产生前者，声源的尺寸应当比声波 的波长大几倍1MHz的声波在水中的波长约为1.4mm，而1000Hz的声波在水中的波长约为1.4m，制作和搬运一个直径几毫米的声源显然比制作和搬运一个直径几米的声源省事得多由于同样的原理，不仅容易实现狭窄的声束，还容易实现声束聚焦，象人们通常聚焦光那样在焦点或焦区，声强可以很高，从而产生一些强烈的作用超声波长小的第二点重要后果是，超声可以被微小的障碍物散射开来平面声波在传播过程中遇到有限大小的障碍物时会被障碍物所散射，就是说，入射波不再沿原方向传播，而是向四周散开（参见5.2.3），包括散到与入射方向相反的方向所谓障碍物是指材料的声学参量c不同于基质0c的物体，是密度（因此基质内的空穴也是障碍物）沿各个方向散开的声波幅度分布，或说散射图案，因障碍物的尺寸与波长之比而异可以想见，当c差别不大时，如果声波波长远大于障碍物的尺寸，声波几乎会忽略障碍物的存在，反之则声波几乎象碰上一个界面，而被反射和折射如果声波波长接近于障碍物的尺 寸，声波的散开程度会较大在某些声波应用中我们倒希望声波被散开，从而可以通过测量散射图案，判断不透明媒质中有没有障碍物以及是怎样的形状、大小、内含物的障碍物假若障碍物很大，我们可以采用频率低、波长长的声波，若障碍物很小，我们就需用频率高、波长短的超声超声的第三个特点是与物质 有相互作用声波的某些物理的、化学的、生物的效应，或笼统地说，声波与物质的相互作用，只有在高频率范围才会发生例如有多种类的所谓“弛豫效应”，分别只在不同的高频率范围才能出现又例如，超声在液体中有一个很突出的物理效应，叫“空化效应”超声会在液体中产生空穴或气泡，这些气泡处于非稳定状 态，在适当条件下会迅速崩溃，从而在气泡内产生几千度的高温，在气泡周围产生近千大气压的激波高温和强激波的出现则可以导致声致发光、水中声致自由基、机械作用（如粉碎、乳化等等）、化学反应活性加强、高分子解聚等效应 542 超声在医学诊断、无损检测和工业检测中的应用541中 提到，超声的一个特点是容易形成细声束，以及可以被相当小的障碍物所散射，其中包括背（逆）向散射将这束细声束向正前方射出，同时使它上下左右摆动，便可以搜索前方有没有障碍物用电子学的手段，容易测量反射波或背散射波回转的时间，在已知声速的情况下，可以确定前方障碍物的位置当障碍物足够大时，从 回波随声束移动的分布，可以显示出障碍物的形状；对比较小的障碍物，人们正在寻求判断障碍物的大小、形状、内含物等特征的方法对于不均匀的透明材料，我们常用光学的办法检测；对于不透明材料，用普通的光学方法是做不到的而包括超声的声波则能够透入任何媒质，不论这媒质是气体、液体、还是固体，也不论透 不透光，对不同媒质的差别只是透入深浅不同利用超声来检查或显示媒质中是否存在障碍物，以及障碍物有哪些特征，叫做超声检测对于超声，障碍物是c不同于基质的物体人的肝脏内如果有个肿块，这肿块的c不同于肝脏的c， 肿块就是超声的障碍物母体内的胎儿对于羊水中的超声也是障碍物因此超声检测很自然地用于人体，常称为医学超声诊断把超声源（超声探头）在人体外表面扫动或在一处转动，使声束在人体内作线扫描或扇形扫描，配合电子学手段，显示出人体内部与声束方向平行的断层内超声图像的方法，就是当今家喻户晓的“B超”，B是相对于A、C、F等一些声束扫描方式而言的在医学诊断中，应用多普勒效应又可以检测体内血液的流动情况及血管形态的某些异常类似的原理和方法可以用于检查金属和非金属材料内部的缺陷，缺陷也是障碍物材料内部可能有夹杂物、气泡或裂缝夹杂物、气泡或裂缝的c都与材料本身的不同，因此将反射或散射入射的超声用超声检测材料是工业上广泛采用的无损检测手段之一（无损是说不破坏材料），其它的手段有X光、射线、电磁场等等超声又可类似地用来测量容器内液位的高低等等利用超声的某些性质在不同 的媒质中，或在同一媒质的不同状态下的差异或变化，主要是声速或衰减度的差异或变化，可以识别或检测不同的媒质或媒质的不同状态，例如可以检测液体混合物的成分变化用超声手段对媒质的一些非声学量（如成分、粘度、温度、应力等等）进行测量，有时叫超声工业检测 543 超声在加工处理和医学治疗中的应用利用超声的能量以及超声与物质的相互作用，特别是前面提到的（参见541）超声空化作用，可以改变物质的一些物理、化学及生物性质或状态，或者加快这些改变过程，简称加工和处理超声的频率范围宽、产生大能量的设备比较小巧，又不伴生噪声，因此声波的加工和处理应用几乎都在超声范围（声哨除外）在工业上，超声大量用于乳化、清洗、粉碎、搪锡、钻孔、雾化、焊接、金属成型等等近几年来，超声加速化学反应的作用受到关注，声化学逐渐发展为一门新兴的热门分支学科超声用于医学治疗已有多年的历史，应用面广泛，近来新报道了治疗偏瘫、面神经麻痹、小儿麻痹后遗症、乳腺炎、乳腺增生症、血肿等等，都有一定的疗效 544 超声电子学器件和系统声学的实验研究，历史上受到真空电子管发明的极大推进此后，声学和电子学紧密联系，主要是声学的研究和应用大量利用电子学器件近几十年来，声学反过来为电子学提供器件，特别是70年代声表面波的新技术兴起之后运用声波能够制作可用于10MHz103MHz电信号的延迟线、振荡器、谐振器、带通滤波器、脉冲压缩滤波器、卷积器等等，广泛用在电视、通讯、雷达、电子对抗等方面把一些器件组合起来，又可以形成具有某些特殊功能的电子学系统器件和系统大部运用声表面波，也有些运用体声波和磁弹波，有关的研究构成超声电子学声波器件之所以能作为电子 学器件，是因为产生和接收声波的元件是电声式的如果把这些元件（超声换能器）也包括在器件中，则有电信号转成声信号，声信号再转成电信号，于是器件的输入和输出都是电信号，构成电子学器件以声表面波器件为例，波的产生、传播、接收和处理，都可用半导体平面工艺在一小块压电（如铌酸锂、石英）单晶基片上 完成声表面波是在这块压电基片表面浅处传播的声波，它的波形，容易由选择换能器的几何形状和基片上附加的一些结构加以控制和改变加上声波的波速比电磁波波速小五个数量级的特点，声表面波可以用来制成频率范围适用、性能独特、小型、适时的上述多种电子学器件 55 声与海洋 551 水声学中的基本概念在人们所熟知的各种辐射形式中，以声波在海水中的传播为最佳在混浊和含盐的海水中，无论光波或电磁波的衰减都远较声波的衰减为大我们在5.2中已介绍过，水声中取具有均方根声压1Pa（微帕），即110-6Nm-2（牛顿米-2）的平面波声强为声强的单位海洋及其边界的详细特征对 声传播的影响是非常复杂的声速是温度、深度和盐度的函数而温度又是深度、季节、地理位置（纬度）和气候条件的函数海洋表面有时是非常光滑的反射体，有时又是随机散射声波的非常粗糙且扰动的表面，海底的构造、斜度及粗糙度也是变化多端的所有这些因素都影响声的传播声束与海面及海底边界相互作用的效 果产生了最终的声传播特性根据实验结果与理论分析，声速的典型公式如下：c=1449+4.6T-0.055T2+0.0003T3+（1.39-0.012T）（S-35）+0.017Z （5.16）式中c为声速（ms-1），T为温度（），S为盐度，Z为深度（m）讨论声速随深度变化的特性时，最好是将海洋划分成如图5-5所示的一系列水平分层，称为声速剖面海水的表面层从海面扩展到约150m深度，这一层受局部气候甚至一天中不同时刻的影响很大在平静的海况下，水温随着表面层的深度而迅速降低，导致了很强的声速负梯度表层以下的水温受风暴或瞬变因素的影响很小，但随季节却有很大的变化此层被称为季节温度跃变层它延伸到300m左右，并具有负梯度的特征第三层具有温度负梯度结构，被称为主温跃层随着深度的增加，温度减小到接近冰点，声速逐渐下降到最小值，在中纬度区，这一深度大约在1000m左右，称为深道轴最下面一层为等温层此层中声速随深度而增加，所以是正声速梯度我国近海基本上是浅海大陆架声速剖面图随季节变化更大一般在冬天是等温层，而到夏天会出现明显的负梯度或负跃层1海洋表面的声损失在空气和水的分界面，由于阻抗严重不匹配，反射系数近似为-1当声波波长甚大于波高时，反射声损失基本上为零2海底的反射损失即使海底是绝对平面，反射过程也相当复杂入射到海底的声能一部分被传输到海底沉积物中，一部分被反射据实际测量，对于沙质海底，反射损失约为7dB3海洋中的声吸收声波在海水中传播时，部分能量以热能的形式耗散掉我们可以用传播损失TL来刻划由于声吸收带来的传播方面的损失若用分贝来表示可以写成TL=20lgr+10lgexp（br） （5.17）其中r为距离，b为指数衰减因子声吸收的大小与声波的频率有很大关系4海洋噪声海洋噪声的来源有自然的也有人为的不同的噪声源呈现不同的方向特性和频谱特性自然噪声源有地震的扰动，风、雨使海面的搅动和水分子的热运动各种发声的鱼类也对海洋噪声做出贡献人为的噪声指的是远处航船产生的噪声5混响海洋本身和其界面包含着许 多不同类型的不均匀性，其尺度小至灰尘那么大的粒子（它使深海成为蓝色），大至海水中的鱼群和海底的峰峦与海底山脉这些不均匀性形成媒质物理性质上的不连续性，因而就阻挡照射到它们上面的一部分声能，并把这部分声能再辐射回去这种现象称为散射来自所有散射体的散射成分的总和称作混响如果往水下扔一颗手榴弹，那么在炸药爆炸之后，我们还会听到一阵长的，慢慢变弱的颤动的声响，这就是混响 552 射线理论与简正波理论在5.2中我们已给出了描述理想均匀媒质中平面波和球面波传播的方程实际上，影响声在海洋中传播的因素在三维空间中是变化的同样也可随时间变化在水声学中，特别重要的还是随深度的变化从声速剖面来看，海洋好象是被分层的从水和空气的分界面开始，到海底的各种沉积层为止波动方程的一般形式就是式（5.11）给出的偏微分方程这个方程的解是与初始条件和边界条件有关的有两种方法可以解这个方程一种是简正波理论它用称 为简正波的特征函数来描述声传播每一特征函数都是波动方程的一个解把简正波叠加起来，以满足边界条件和源条件，其结果就是一个复杂的数学函数虽然它适于在计算机上进行数值计算，但在直观上不容易理解声源能量在时间与空间上的分布简正波理论比较适于描述浅海中的声传播波动方程的另一种解法是射线理论它的出发点是声波在传播过程中存在波阵面从声源发出的声能沿着射线传到空间各处射线声学有很大的直观的优点，它用声线图给出传播的图像它的缺点是不能给出波动方程的精确的解由于波动方程求解十分复杂，超出本书的范围，我们在此不详谈 553 声呐 声呐方程声呐（Sonar）一词是第二次世界大战期间由声音（Sound）、导航（Navigation）和测距（Rang-ing）三个英文单词的字头构成的它是利用声波判断海洋中物体的存在、位置及类型的设备在军事上，它是海军的重要电子设备在民用方面，又是海洋开发不可缺少的手段图5-6给 出了一个基本的声呐系统的模型它有两种工作方式第一种称为主动声呐由发射换能器把电信号变为声信号，在水下发射出去当它照射到一个目标时，反射信号或称“回波”就被接收换能器收