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[综合讨论] 声学在现代科学技术中的十大作用

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发表于 2018-6-8 16:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  张淑仪(女) 声学家。1935年12月7日生于浙江温州,1956年毕业于南京大学,1960年该校研究生毕业。现任南京大学声学研究所所长、中国声学学会常务理事、国际电气电子工程学会高级会员等职。1991年当选为中国科学院院士。对凝聚态物质(液体和固体)中多种模式的超声波传播规律进行了较深入仔细的实验与理论研究。

  前言
  声学是一门研究声音的发生、传播、接收以及声波与物质相互作用的科学。随着科学技术的发展,声学进入了各个应用技术领域。在现代工业、国民经济、国防建设、科学研究和日常生活的各个领域,无不和声学发生联系。因此声学是一门渗透性很强的学科。

  声学技术的广泛应用,首先要归功于声波的物理特性。声波是机械振动在物质(气体、液体和固体)中传播的结果,声波能穿透电磁波和光波所不能透过的介质。声波的振动频率范围很广,从1/1000赫到100万亿赫(10-4~1014Hz)。频率在20赫到20千赫范围内的声波为人耳所能所见,属音频范围。20千赫至100兆赫为超声,100兆赫至100千兆赫为特超声,100千兆赫以上为热声子运动范围,20赫以下为次声。不同频率的声波有不同的激发和接收方式以及不同的应用领域。

  以下就几个主要的领域加以简单介绍:

  1、声学和物理学
  声学是物理学的一个重要分支,也是物理学中最古老的分支之一。在物理学的发展中,声学有着卓越的贡献。首先,声学所研究的机械振动及其在各种物质中传播的属性是物理学的本质之一。Rayleigh于19世纪末最早提出声波动理论,对后来的各种波动传播理论的发展有重要作用。

  在声与物质相互作用的研究过程中,到目前为止,虽然主要是研究物质的声速、声衰减及密度、弹性系数(粘滞系数)等宏观量,但通过宏观量的测量,可以揭示物质微观世界的本质。如分子声学从超声传播速度和衰减及其弛豫效应的测定,可以研究气体中分子的各种运动之间的能量转移以及分子间的能量转移、液体中的各种分子结构有关的动力学过程,以及固体物质的相变、缺陷、晶粒尺寸乃至微观的分子结构、半导体和超导体中的能隙及能级分布情况等。

  当声波强度较强时,除了线性效应之外,还有非线性效应出现。早在本世纪二三十年代,就已发现高强声波在液体中产生空泡(因液体耐压而不耐拉),在空泡内聚能可达1011巴(相当于108大气压),温度可升至104ø K(即10000度)以上,因而导致发光等特殊现象,亦称“声致发光”。空泡中的超高温和超高压引起物理学家和化学家的重视,希望有可能引起核聚变等重要的物理和化学效应。近年来,发现非线性参量对不均匀结构及相变的响应比线性物理量更为敏感。此外,固体物质的非线性性质引起声波的非简谐共振、混频、高次谐波产生等等,其机理均可归结为原子之间相互作用势的存在以及分子内平衡位置的改变等等。总之,高频声波的传播与声子-声子、声子-电子以及声子与其他激子间的相互作用相联系的。

  至于非线性声学所研究的孤子、分岔与混沌的问题是自然界普遍存在并有重要应用前景的现象,是目前非线性动力学的一个重要主题之一。通过水波孤子和混沌的研究,可以直接观察到孤子的形成,多孤子相互作用及孤子和混沌之间的相互转化过程等,显示了物理现象的统一性,从而对揭示自然界的普遍规律有积极的意义。

  在超低温条件下研究He超流的意义上来看,从第一声(即通常声波)到第五声的研究,可以探求在超低温下液氦的各种热力学参量,从而对超流相微观结构的研究具有特殊的意义。

  2、超声在工业上的应用
  超声的工业应用是超声技术的重要应用领域之一,应用范围非常广泛,归纳起来主要有两大类:一是超声加工处理;二是超声检测。

  1) 大功率超声的工业应用
  利用大功率超声波作用于物质,可改变物质的性质和状态。例如,在含有烟雾粒子和灰尘的气体中发射大功率超声,不同尺度的粒子振动速度不同,则互相碰撞,从而可加速粒子的凝聚;在液体中发射大功率超声,会在液体中产生“空化现象”,即波动引起的稀疏过程使液体产生空泡,压缩过程使空泡破碎而在周围产生机械冲力。从而可实现清洗、乳化、脱气以及使固体粒子悬浮、或使高分子分解和聚合,促进化学反应等;在固体中发射大功率超声,可用于粉碎、研磨,切割、加工和焊接等等。

  此外,利用固体中超声波的特殊波形,研制成超声马达,具有体积小、响应快、精度高和无电磁感应等特殊性能,适用于传真机、打印机等现代化办公设备中传送纸张。

  2) 超声检测和无损评价
  在当前高科技发展中,先进的材料及各种器件、设备的研究和发展越来越引起重视。相应地对无损评价技术的要求也越来越高。超声无损评价(或超声检测)与电磁波、X光及粒子探测技术并列为探索物质的四大技术。

  超声波由于能穿透电磁波、光波等无法穿透的物质,同时又能在两种物质(两者的密度和声速显著不同)的界面上反射。如果某种物质内部存在不均匀性,如气泡、裂痕、夹杂、疏松、位错或脱粘等缺陷,就会引起超声波的反射。因此,利用超声波能探测物质内部的结构(缺陷和不均匀分布)等。目前,利用各种超声探伤仪可以对各种机械零部件,包括航空、航天飞机机壳及发动机零部件等进行无损检测,也可用于对装载核反应物质的容器、输油和输气管道以及锅炉等压力容器进行无损检测等。

  另一方面,超声显微镜可用于微米量级的微观结构或缺陷的研究和探查,可以研究材料和微型器件的介观特性和结构。近年来,在电子显微镜、隧道显微镜及原子力显微镜基础上发展的电子声显微镜、隧道声显微镜及调制力显微镜等新型显微镜成像系统,更将声成像分辨率提高到纳米量级,从而有可能在原子尺度的量级上研究材料的表面和亚表面结构。

  超声技术还可用于测量流体的流速、流量、粘度、温度及液位等。因此也是一种重要的测量技术。

  近年来,由于激光技术的飞速发展,利用激光脉冲激发超声波成为当前的研究热点之一。激光脉冲可以非接触式地在凝聚态物质中激发超声波,从而可以实现遥感遥测的任务。同时,由于激光束可以聚焦,因而可以对小尺寸材料进行激光超声研究。

  3、光声学与激光超声
  当强度调制的激光束照射于物质(包括气体、液体和固体)时,物质吸收光能而产生热,周期性热流使周围的介质热胀冷缩而激发声波,这种将光能转化为声能的现象称为光声效应。其中间过程为热能的转换和传递的过程,因此亦称热波。

  由于光声效应与物质的光学、热学、力学等性质以及几何结构有关,因此测定光声信号可以检测物质的宏观、介观乃至微观特性和结构等。利用光声效应研究、分析和检测物质的方法即为光声热波技术。通常有光声谱仪用于成分和能级结构分析,以及光声显微镜用于空间结构分布的检测。

  另一方面,有关材料的光学、电学等性质的研究已有大量的工作,但有关热学性质的研究则为数甚少,原因主要是缺乏有效的测试手段。新型的热波技术正是有效地解决了这个问题,并且适合于测量小尺寸样品的热学性质,如热扩散系数、热传导等。对于某些利用其散热或抗热性能的材料,检测其热学性质是极为重要的。近十年来,随着近代光学(激光)技术、电子技术及声学技术的发展,光声技术(或称热波技术)也以不同的测试方法和多种形式发展起来。与红外照相(热像)技术相结合发展的热脉冲回波成像技术,适合于对航空、航天飞机、输气、输油管道等大型机件的非接触式大面积的无损检测,国外已在许多部门发挥作用。

  随着脉冲激光技术的发展,利用脉冲激光激发超声波,便成为非接触式激发超声波的有效手段。为此相应地发展了多种非接触式检测振动和位移的新方法,其中最主要的要属光干涉法。将光激发和光检测相结合形成非接触式激发和检测声波的全光学方法,适用于在极端环境下(高温、高压、腐蚀及放射性等)对材料和设备进行分析和测试。近年来利用皮秒(10-12秒)或飞秒(10-15秒)量级的超短激光脉冲在凝聚态物质中激发1011赫以上频段的特高频声子。即在固体中激发接近固体的晶格振动频率的特超声,可以直接研究固体中热声子、电子及其有关的量子力学意义上的效应。在液体中激发特超声,可以研究液体分子受激振荡及超快弛豫过程等。

  由于光声效应反映的是物质吸收光能后产生热能及声能,因此与传统的光学方法相比,具有更高的灵敏度,并且对测试的样品没有特殊的要求,因此更为实用,成为传统光学技术的有力补充。

  利用激光脉冲在水中激发声脉冲,可用于江、湖、河、海的水下目标及海洋地层结构探测或水下通信,也是当今水声学的研究课题之一。

  4、声电子技术
  声波历来是人类实现信息转递的主要媒介。随着现代科学技术的进步,信息交流日益频繁,并且逐渐发展为远距离通讯。因此对信息的优质传递提出更高的要求。最常用的信息传递载体是无线电波,近年来还利用光缆,即利用光波。但是,以声波为载体,并对信号进行加工处理有其特殊的优越性,因此是很重要的一个方面。声电子学就是研究以声波作为信息载体,在声波的产生、传播和接收过程中,对信息进行加工处理的一个学科分支。

  在60至70年代,曾经利用声波在固体内激发和传播的过程制作固体声波器件,有滤波器、延迟线等等,以代替常用电阻、电容和电感组合的滤波器或用电缆实现信号延迟。因电磁波在电缆内的传播速度比固体中超声波的传播速度快105倍,如要实现相同的延迟时间,声波器件是1厘米时,电缆长度要 1公里左右。因此利用声电子器件,可使无线电元器件小型化、固定化,并且性能稳定、制作方便。

  70年代初期,声表面波器件问世,它的优点是对换能器的形状可以任意设计,因此为器件的性能改进提供了极为方便的途径。其次是器件的制作只是利用与半导体集成电路工艺极为类似的生产程序,因此重复性好,性能稳定,体积更小型化,并可实现批量生产,为声电子器件开拓了广阔的应用领域,发展迅速。声表面波器件可对信号完成传递、延迟、滤波、展宽、压缩、移频、调制、解调、开关、放大、编码、解码、卷积相关、频谱分析、富氏变换及其他数学变换等信号处理功能。声表面波器件广泛应用于通讯、雷达、电子对抗、电视广播、光电子学以及传感控制等领域。目前主要是几十兆赫至几百兆赫频段。

  随着移动电话的发展,声电子器件将向更高频、更精确、更小型化发展。向高频发展方面,目前工艺上可接受的声表面波器件高频限是1GHz左右。

  另一方面,为超声电子技术进一步发展的需要,推动相应的理论基础同时发展起来。除有关声表面波的基础理论迅速发展之外,也推动声与半导体载流子、声与声、声与光等相互作用的机理的研究和发展。作为声波的激发、传播和检测的基础,晶体物理与技术也相应地进一步向纵深发展起来。

  5、生物医学超声
  自第二次世界大战以来,先进的工程技术与生物医学相结合,逐步发展形成了一个新的科学技术分支,称为生物医学工程。20世纪后半期,生物医学发展很快,将超声技术与生物医学相结合,即形成生物医学超声分支学科。

  近年来,超声诊断在医院中已普遍推广,许多疾病都可由超声诊断仪器(如A型扫描仪,B型超声断面显像仪,多普勒血流图等等)早期发现。超声多普勒成像系统可以对颅脑内血管及血流情况以彩色图形进行实时显示。甚至发展到对全身各部位的血流进行多普勒彩色图形显示。超声与X光、核磁共振成为医学三大诊断手段。

  为了能更准确地诊断早期病灶,了解声波参量与生物组织的生理和病理状态之间的关系是至关重要的。因此,声波在生物器官和组织内的传播规律的研究引起很大重视,超声诊断仪器设备也在不断发展之中。最近,利用非线性参量成像,有别于上述的根据声速和衰减等线性参量成像的传统设备,对生物组织的病理现象更为敏感。

  此外,还将多媒体技术用于超声诊断,建立图形档案与通讯系统,其特点是可以存储管理大量病人超声诊断图像信息,并进行三维组合形成立体信息。

  大功率超声还可使人体局部加热,并且超声波的振动可进入人体,因此,热效应、振动效应以及由强振动引起的空化效应均可以用于治疗疾病,促进药物的扩散。甚至用于外科手术,如眼科手术、骨骼修复,肿瘤消除等等。

  6、声化学和声空化
  本世纪20年代,首次发现超声波有加速二甲基硫酸酯的水解和亚硫酸还原碘酸钾反应的作用,由于当时的超声技术处于较低水平,研究和应用都受到一定的限制,未引起化学家足够的重视。

  近20年来,利用超声来加速化学反应,增加反应产率和引发新的化学反应等声化学研究有了突破性的结果,正在国际范围内引起声学和化学学术界的重视。声化学技术在生产上可望首先为合成塑料、洗涤剂、制药和化肥等化工工业方面带来重大变革,因此受到化工生产行业的极大关注。

  近年来的研究表明,高功率超声在液体中产生的非线性现象引起声空化是声化学主要的物理过程。因为声空化是集中声场能量迅即释放的过程,在空化泡崩溃时,短时间内产生的高温、高压、强冲击波和射流,为一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种非常特殊的物理环境,开辟了新的化学反应通道。

  为了进一步提高声化学反应的效率,声学界和化学界的科学家们对声化学产额与声学参数之间的关系进行了较系统深入的研究,如声化学反应器和换能器的结构、声场形式、辐照声强与声功率、辐照时间、频率效应及信号波形等,对产额的影响进行了大量的研究。

  由于“声化学”与其相联系的“声致发光”同是令人感兴趣的两个过程,要求化学家和声学家密切合作,用空泡中微观物理本质来解释观察到的宏观现象。当前国际声化学界认为,化学研究应优先注意的尖端项目之一就是物质在超高温和超高压的极端条件下的化学行为,因其有助于了解化学效应,开辟新途径。可以肯定,声化学科学的发展必将有新的贡献。

  7、语言信息处理
  语言历来是信息传递的要素。研究语言的特征、识别和合成一直是声学工作者的重要任务,由此近20年来已形成了声学新分支——语言声学。语言声学主要研究语言特征谱,从而实现自动识别、人工合成和压缩编码等,对人民生活、国民经济和国防建设都是密切相关的。

  随着信息科学的发展,信息技术的应用已深入到人类社会的各个方面,对社会进步产生重大的影响。语言声学的研究也由于信息技术和计算机科学的发展而取得了很大进展,并在某些方面有所突破。

  1) 语言识别
  国际上,特定说话人和任意说话人的连续语言识别系统已经达到很高的识别率,这使语言识别系统朝实际应用方向迈进了一大步。因而旅行信息查询、飞机订票、城市查勘以及办公室管理等特殊应用场合的语言识别和语言理解系统都取得了较好的效果。国内在孤立音节和孤立词识别方面也已取得相当大的进展,识别率一般可达到90%。相继研制中、小字表的声控电话查号系统、汉字语音输入系统、命令识别系统、电话数字语音识别系统等。汉语连续语音识别的研究也已起步。

  但要使语音人机交互系统达到实际商用水平还有许多重要的科学问题需要解决,如处理背景噪声、信道噪声、应付陌生词、陌生用户和非预期的输入,系统必须具备多种层次的鲁棒性。

  2) 语言合成
  由于计算机语言输入、输出可实现最为友好的语言合成,所以近年来得到了新的发展。当前语言合成系统可分为两大类:一类是利用数字化技术预先存储语言数据;另一类则是利用语言参数和发音规则产生语言,从而还可以实现文语转换系统。

  这种人机交互语言应用前景很广泛。在国外许多电话公司已开始试用,如机场、车站等交通和其他商业部门也是重要的使用场合。此外,为残疾人提供朗读或助讲等等。

  通常,语言和听觉常常是联系在一起的,而听觉研究的一大特点是心理-物理实验的成功。改变物理量听取受试者的反映,以估计出生理和心理的变化。20年来,已证明耳蜗结构模型的正确,近年来,更以现代通信系统的观点来分析人耳的结构,相当成功。但神经系统和大脑如何处理这些信息还在研究之中。听觉的研究也可能是研究大脑功能的重要途径,人们对此期望很大。

  8、水声信号处理技术
  海洋覆盖着地球表面的四分之三,蕴藏着丰富的能源、矿产和蛋白质资源,海洋和大气间的热交换,又在极大程度上影响着地球的气象和环境。因此,海洋的研究与开发利用,日益受到世界上各国科学界与政府部门的重视。

  声波是唯一能在海水中有效地进行远距离信息传递的载体。蓝绿光在海水中衰减123dB/Km。100Hz超长电磁波在海水中衰减为345dB/Km,但100Hz声波在海水中的衰减则仅为0.0015dB/Km。声波能在水下传播很远距离,而光波和电磁波则在很短距离内就会被完全吸收。因此,所有的水下探测、通讯、导航、遥控等活动都离不开声学。但海水中声速低,高频声波在海水中的衰减增长迅速,海洋信道又属于不平整双界面随机不均匀介质信道,因而水声信号信息量小,传递过程中时变、空变及多途效应严重。要满足不同实际工作要求,需采用多种措施。应该说,水声技术是广泛领域的现代科学技术的高度结合。

  至今,人类就多种海洋环境因素对声波传播的影响已有较系统深入的研究。美、俄等国水声考察范围遍及全球各大海域,并建立了较为完整的数据库。此外,全球海域气候的声监测计划是精确地测量全球范围内海洋的温度以提供全球气候变化的直接证据。

  为了水声研究,水声换能器的研制成为重要的课题。因此也促进了研制水声换能器的压电材料和磁致伸缩材料的研究与制造。研制新型换能器的多元压电复合材料、高分子合成材料、光纤材料等也引起极大的重视,并出现换能器材料和换能器设计的专家系统。

  水声信号处理是当前水声研究中十分活跃的领域。大规模高速芯片的发展和并行算法的开发,提供了十分有力的工具。我国在这一方面的工作也有着可喜的成就。

  9、环境声学
  环境科学是当今研究的前沿热点之一,其中环境声学由于人类生存条件的变化,也已引起很大的重视。

  由于人类生活在充满声音的世界上,语言用于交流思想、表达感情,音乐丰富了人们的精神生活,给人以美的享受。但各种噪声却干扰了人们的工作和生活环境。如何使需要听的声音听得清晰悦耳,而将不需要的噪声抑制,是近百年来声学研究的一个重要方向。

  本世纪前半期,主要研究建筑物(如报告厅、音乐厅、剧院、体育馆等)内的声学效果。自Sabine提出混响的概念及混响时间的计算,开辟了建筑声学的研究领域,先后发展了室内声场理论及混响时间的测量方法。为了改善厅堂内音质及隔绝室外噪声,对吸声材料和隔声材料进行了理论和实验研究。在评价厅堂音质方面,有客观评价和主观评价两个方面,客观评价主要是从厅堂的物理特性来考虑,而主观评价则是以人的主观感受为准则,牵涉到人的生理和心理状态。因此主观评价和客观评价往往不一致。实际上对于传播语言为主的厅堂和以演奏音乐为主的厅堂要求也是不一样的。这就是建筑声学方面的复杂问题。

  在本世纪中期,现代工业和交通飞速发展。伴随着出现大量的噪声问题,机器噪声(如纺织厂,机械厂,锯木厂等),交通噪声等等。噪声妨碍人的健康,影响人们的工作和生活,干扰精密仪器的运转。高强度噪声还会造成人们听力丧失,甚至损坏房屋建筑。因此在60年代前后,“噪声控制”作为一门独特的学科从建筑声学中分离出来,得到迅速发展。不少建筑声学家把研究方向转为研究噪声及其控制。包括噪声源的分析,噪声对人类的影响,噪声的治理等等。一般采取隔绝的方式,近年来则发展有源消噪和减振的方式,即人为地有目的地产生次级声振动信号去抵消原有噪声,从而达到消噪和除噪的目的。其特点是体积小,成本低,降噪效果好,特别适合于军事和国防方面的应用。

  10、电声系统及其应用
  近年来,由于高科技发展和人民生活水平的不断提高,对于电声系统提出了更高的要求。首先,由于通讯系统的飞速发展,作为通讯系统的关键元器件的传声器(话筒)和扬声器(喇叭),除音质好之外,对外形(如小型化)等也有特殊要求。此外,随着立体声技术的发展以及人们欣赏能力的提高,对扬声器和组合音响设备也有更高要求,特别是脉冲编码调制录音技术和数字音频唱片的出现,要求扬声器同时承受功率大、动态范围大、频响宽广平坦、失真小和瞬态响应良好等特性。

  相应的电声系统的计算机辅助设计和测试的技术和理论以及电声系统的测试方法等均有很大的发展。

  除上述有关方面之外,还有声光相互作用及其在系统控制和信号处理中的应用,超声在农业上的应用,音乐和乐器的研究,生理和心理声学,以及大气和地球中传播次声研究等等,都是直接对人类文明生活和生产有重要作用,由于篇幅所限,不能一一详细介绍。

  总之,声学是一门与人类的生活、文明和生产息息相关的学科,必将在今后的科技发展中发挥更大的作用。

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