【作者：中科院聲學(xué)研究所所長、研究員田靜】

        聲學(xué)是一門具有廣泛應(yīng)用性的學(xué)科，涉及到人類生產(chǎn)、生活及社會活動的各個方面;同時聲學(xué)又是一門具有很強交叉滲透性的學(xué)科，與各種新學(xué)科、新技術(shù)相互作用，相互促進(jìn)，不斷地吸收、應(yīng)用和發(fā)展新的思想，增強了聲學(xué)的生命力、競爭力和學(xué)術(shù)與藝術(shù)魅力。本文從科學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)等幾個方面，介紹了聲學(xué)的學(xué)科發(fā)展，特別是在科學(xué)與技術(shù)上的新的研究方向與進(jìn)展。

　　一、聲學(xué)的基本概念

　　聲和音

　　講到聲學(xué)，當(dāng)然首先就要講什么是聲音。所謂聲，實際上有雙重的含義，我們一般地理解，人的耳朵能夠感覺到的聲波的作用就稱之為聲，這么說大家都懂;但是從物理上講，聲是指在任何的彈性介質(zhì)中傳播的擾動，是一種機(jī)械波，從這個概念上來講，聲的范疇就很廣。什么叫擾動呢?擾動是說在空氣、固體或液體中的一個密度的、或者是壓力的、或者是速度的一個小的變化，這個變化在這種彈性體里面就會傳播出去，是能量傳播出去，彈性物質(zhì)本身并不傳播，這么一個傳遞的能量就是聲。在這么一個聲的概念上，只要在彈性介質(zhì)中有一個不穩(wěn)定，就會產(chǎn)生聲，所以聲學(xué)研究的范疇相當(dāng)?shù)膶挕?/p>

　　經(jīng)常和聲相連的一個字叫音，我們中國人講聲音聲音，什么是音呢?音的定義是能夠引起有聲調(diào)的感覺的這么一種聲，講通俗一點，就是有意義的聲。我在講話時發(fā)出的這個聲，你的耳朵聽到以后，能夠體會到有某一種含義在里面，或者是感覺到了某種意思，這個就是音。我國古代對聲和音的關(guān)系已經(jīng)有很好的認(rèn)識和定義，老子就經(jīng)常講到聲和音的關(guān)系，如“音聲相和，前后相隨”，“大音希聲，大象無形，大器晚成”等等，這幾句連著講，意思就比較清楚了，所謂“大音希聲”講的通俗一點就是說有理不在言高，只要你道理能夠說清，并不在于你的聲波能量大小，這里的聲就是物理的聲了，而音就是說話里面的含義。在這里老子對音和聲的定義已經(jīng)很清楚。

　　一般講到光學(xué)的重要性的時候，常說“百聞不如一見”，你聽了很多遍，也不如看一眼，看一眼的信息量很大;但是聲學(xué)有它的特殊性，大家都知道的一個成語叫做“未見其人，先聞其聲”，一個比較熟悉的人從外邊走過來，我們還沒有看到這個人，就聽他的腳步聲，或者他在外邊的嗓門很高，我們就聽到是誰來了，然后就喊一嗓子說你趕緊進(jìn)來，這就是聲的特點。在沒有看到，不透光的時候，你就能夠聽到它。這樣聲就有一些很特殊的一些應(yīng)用，幾乎所有的不透光的物體，都可以用聲波來進(jìn)行探測，比如說在海洋里面，水下光波和電磁波都衰減很快，對光來說，紅外光波長最長，傳播最遠(yuǎn)，到了幾十米以下也就是衰減完了，所以到了海底是一片黑暗，這種情況下，聲是在里面是唯一有效的、可以遠(yuǎn)距離傳播的能量形式。

　　另外大家知道，語音是人和人之間的交流的一個最直接的有效手段，大家每天都在用語言來溝通，實際上人的思考也常常是用語言來進(jìn)行，語音是把語言表述出來的物理形式。這個聲，現(xiàn)在不僅用于人和人之間的這種溝通了，實際上人和機(jī)器之間的溝通，人機(jī)對話慢慢的也發(fā)展為一種主要的手段。我們看計算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)小到這么一個筆記本，而筆記本電腦若去掉一個屏幕，去掉一個鍵盤，里面還有多少東西呢?就剩下了一個芯片。所以如果計算機(jī)可以使用語音作為輸入輸出界面的話，體積還可以小很多，到處都可以方便地使用。

　　什么是聲學(xué)?

　　聲學(xué)的定義很簡單，就是研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的科學(xué)。通俗一點，就是關(guān)于聲音的學(xué)問，就叫聲學(xué)。

　　聲音從產(chǎn)生，比如說由一個喇叭產(chǎn)生的聲音，通過一種介質(zhì)傳播到耳朵接收，然后進(jìn)入內(nèi)耳，在內(nèi)耳的皮層產(chǎn)生了一個響應(yīng)，變成了電，電信號到了大腦進(jìn)行處理，這就是一個完整的過程，從產(chǎn)生到傳播到接收，一直到聲音產(chǎn)生的效應(yīng)，在這里就是在人的大腦中產(chǎn)生的反映了。當(dāng)然接收的現(xiàn)在也不一定是耳朵，我們現(xiàn)在最常用的是話筒，聲學(xué)上叫傳聲器，就是模擬人的耳朵，把聲信號變成電信號;聲波的效應(yīng)實際上還會產(chǎn)生一些與物質(zhì)之間的相互作用，和其它過程，如燃燒、流動這樣的一些過程之間，都會產(chǎn)生一些相互的作用。這樣的一些內(nèi)容，都是聲學(xué)要研究的東西。

　　聲學(xué)研究的頻率范圍

　　剛才講到了聲學(xué)研究的聲波是一個擾動的傳播，擾動就有快慢。聲學(xué)研究的擾動是怎么樣一個范圍呢?廣義的講，聲學(xué)研究的范圍是從10-4赫茲開始，也就是每秒鐘振動10-4次，反過來講，就是一個周期104秒，非常非常慢。聲學(xué)不研究直流，不研究平均流，這一塊是力學(xué)研究的主要內(nèi)容，靜力學(xué)或者動力學(xué)，研究的是平穩(wěn)的，變化很慢的。10-4到20赫茲，這個范疇我們叫次聲，這是人的耳朵聽不到的聲，就是變化很慢的聲音。實際上人的耳朵對聲波的響應(yīng)范圍很窄，是從20赫到2萬赫，在這個范圍以外，人的耳朵都聽不見了，所以在這個范圍以內(nèi)的聲波稱為可聽聲，2萬赫以上的聲叫超聲。

　　次聲頻段的聲波在大氣物理、地球物理中都有很多的用處，地震，還有臺風(fēng)，像前幾天南中國海刮過的“尤它”，后來的“榴蓮”等等一系列臺風(fēng)，都會產(chǎn)生次聲，在幾千公里以外，使用很靈敏的聲學(xué)傳感器就能接收到這種信號，然后可以處理，可以定位，臺風(fēng)在什么地方，強度的大小，都可以知道。地震波監(jiān)測實際上就是次聲監(jiān)測，過去聲學(xué)所在全國有很多的監(jiān)測站，監(jiān)測核爆炸產(chǎn)生的次聲波，沿著地球的表面?zhèn)鞑サ那闆r。現(xiàn)在的國際核軍控，聲學(xué)的辦法也還是一種監(jiān)測手段。后來這些監(jiān)測站，慢慢都移交給了地方的地震臺站，因為它就是用來監(jiān)測地殼振動。

　　到了可聽聲的頻段，大家就比較熟悉了。我們知道，走在馬路邊，感覺噪聲很吵;到處使用的話筒、喇叭，都是電聲的研究范圍;在一個房間里講話能不能聽得清楚，就是建筑聲學(xué)的研究范疇。當(dāng)然語言、音樂，都是可聽聲的研究范圍。到了2萬赫以上，人的耳朵也聽不見了，在超聲頻段聲波可以干什么呢?大家最熟悉的可能是每年我們做體檢，都要做B超，就是要用超聲波來檢測我們?nèi)梭w內(nèi)有沒有病變，有沒有什么缺陷;另外超聲還可以檢查材料，檢查工業(yè)上的一些東西;有一種大家很熟悉的動物把超聲來作為它的眼睛來用的，那就是蝙蝠，它發(fā)出超聲波，然后來探測它前面有沒有障礙，隨時拐彎，所以蝙蝠用的就是空氣里面的聲吶。

　　聲學(xué)研究的強度范圍

　　聲波的強度一般用聲壓表示。聲壓是指在平均壓力水平(在空氣中就是大氣壓)的基礎(chǔ)上隨時間變化的這部分壓力，聲壓的變化范圍我們從10-5帕斯卡，一直研究到106帕斯卡。對這樣的一個強度范圍，在表述和使用時很不方便，所以一般并不講多少多少帕斯卡，也不講壓力是多少公斤大氣壓，那么用什么表示生涯的強度呢?是用分貝。分貝的概念現(xiàn)在已經(jīng)用的很廣泛了，大馬路上都豎一個牌子說今天這個地方噪聲多少分貝，那么分貝的概念是什么?實際上分貝代表的是人的對聲音的主觀反映。在視覺上，由于背景的不同，往往一樣高的物體給人的感覺好像不一樣高;把人的感覺強弱與原有的背景相關(guān)的這種普遍性是一個叫韋伯的人總結(jié)出來的，所以叫做韋伯定理。對聲學(xué)而言，也有同樣的情況。人的耳朵對聲音響度的感覺，與強度的對數(shù)成正比，而不是單純地與強度刺激本身成正比，這是什么意思呢?比如說我們的手的感覺，在手里什么都沒有的情況下，放一個粉筆頭上去，就能很容易地感覺到;但是如果先給他放上一塊磚頭，然后再輕輕地放一個粉筆頭在上面，可能就很難感覺到了，這是什么原因呢?就是因為背景原來有了一個磚頭在那里。這樣的一個關(guān)系寫成公式就是，感覺和變化量成正比，同時還和原來的基礎(chǔ)量成反比，這個關(guān)系兩邊求積分，得到的就是對數(shù)。所以說聲音的強度不是用線性量來描述的，而是用這樣的一個變化量與基礎(chǔ)量的比值的以十為底的對數(shù)值描述，單位是貝爾，紀(jì)念發(fā)明家貝爾。再乘以10，就叫分貝，就是1/10貝爾。這是對能量的強度刺激而言的，對壓力而言，因為能量和壓力的平方成正比，所以聲壓級是以聲壓的對數(shù)乘以20。

　　用分貝的概念來表述聲音強度的時候，我們所研究強度的范圍，大概是從0分貝到180分貝。這里，0分貝到20分貝之間，實際上是人的聽閾，每人不一樣。一個比較健康的聽力很好的人，可能能夠聽到0分貝的聲音，聽力稍微差一點的可能到了20分貝這時候才剛剛有感覺，所以低于20分貝是非常非常安靜的情況。比如到了鄉(xiāng)村連蟲叫都沒有的地方，也許能夠找到這么一方“靜”土，但是一般情況下，現(xiàn)在到處都是很吵，所以很難再有這么安靜的地方，大概也只有在實驗室還可以找到這樣的一個區(qū)域。在這個以上，20—30分貝，是比較理想的休息的場所，比如說很安靜的臥室、病房里，非常非常安靜，這時候你能夠聽到放在耳朵旁邊的手表噠噠的很響，蚊子叫也覺得很煩。到了40分貝，在一個不靠近馬路邊的比較安靜的居民區(qū)里的書房或者是圖書館里，可以非常安心地看書、學(xué)習(xí)和思考的地方。一般的面對面的交談，離的比較近，聲級大概也就是50—60分貝。在一個商業(yè)的辦公室里面，若有打字機(jī)、計算機(jī)等等，一般在60分貝左右，不超過70分貝，大家覺得就能夠忍受。超過70分貝，到了80分貝，就是道路上平均的噪聲情況，大型車輛通過的時候，就到了八九十分貝了，就會感覺很吵了。100分貝就到了施工工地了，現(xiàn)在每天大家聽到灌水泥漿的聲音，在那附近差不多就是100多分貝;還有時在馬路上會看到工人在使用風(fēng)鉆，旁邊的噪聲就到100多分貝了，走過旁邊，會覺得非常難聽，非常吵。更高的聲音，也不太常見，比如在噴氣飛機(jī)起飛的時候，在100米以外，聽到的差不多就是120分貝的聲音。再高，比如說到噴氣發(fā)動機(jī)25米的地方，就可能達(dá)到140分貝，這時候人的感覺已經(jīng)不再是吵了，耳朵已經(jīng)疼了。在朝上說，人的胸腔都要振動起來了，對人就有危險了。所以聲學(xué)研究的范圍是從差不多0分貝到200分貝，這可以說是極限，一般的到180分貝已經(jīng)很難實現(xiàn)了，會產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，現(xiàn)在在實驗室條件下可以實現(xiàn)180分貝的聲強度。