【总第3期】《线性声学基本现象》Chapter2-声学的定义与范围

第二章：声学的定义与范围

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2.2 声学的分支

美国声学学会的会刊JASA ( Journal of the Acoustical Society of America ) 将其所收录的文章按照以下类别归类：（这实际上也可看做是对声学分支的分类）

- 一般线性声学 ( general linear acoustics )：这是本系列主要关注的内容，随后的章节中会有简要的关于线性声学与非线性声学区别的讨论 

- 气动声学和大气声学（aeroacoustics and atmospheric sound）：研究由流体流动产生的噪音以及声音在对流流场中的传播，包括在大气中的传播。更普遍的讲，我们可以把气动声学看做囊括所有声场与流场相互作用的物理现象

- 结构声学与振动（structural acoustics, vibrations）：结构声学，或称振动声学，研究由结构振动产生的噪声，或者由声场激励结构导致的结构振动。振动声学和气动声学对于广大工程师来说是最重要的两门研究分支。例如，在试图降低产品噪音的研发过程中，工程师们希望运用这两方面的知识预测噪声，找到控制噪声的手段，如阻隔噪声或者利用材料吸收噪声等

- 建筑声学（architectural acoustics）：随后的章节有一部分关于建筑环境声学的介绍

- 超声，量子声学，声音的物理作用（Ultrasonics, quantum acoustics and physical effects of sound）：超声关注频率在20kHz和1GHz之间的声波，而特超声或量子声学关注频率更高的物理问题

- 生理声学（physiological acoustics）：主要关注人耳以及人体对声音的反应

- 语音生成及感知（speech production，speech perception）：关注语音及歌唱的产生机理以及人耳（或其他人造系统）对信号的解码。此领域还包括对于语音生成器官的解剖学研究

- 生物声学（bioacoustics）：关注由动物产生的声音，以及动物间依靠声音（包括超声）进行交流互动的机理。这个研究领域看似奇特或缺乏实用性，然而在2001年一篇发表在《自然》（Nature）杂志上的文章通过描述一种热带虾类产生超强声的机理，向我们证明了如下三点：

o   生命世界乃是产生众多极端物理现象的大本营

o   科学家们在测量上的造诣同样可圈可点

o   大自然证明了生物体在攻击猎物或自我防御手段上的创造性远无边际

那么这篇文章究竟讲了什么？一种叫做snapping shrimp的热带虾（Figure 3）在迅速闭合钳子的一刹那可以产生能量极高的声音。然而这个声音并不是由于钳子闭合的碰撞动作产生，而是由于钳子的移动部分迅速进入其固定部分半包围的区域，而这一动作可以将此区域的水以超过100公里每小时的速度排出。排出的水流尾端会形成负压力并由此产生不稳定的气泡空化现象，紧跟着的是空化的破裂以及由内爆产生高强度声能量。如此强烈的内爆会产生压力和温度的极大值，以致可以将虾的猎物在一定距离以外致死。这篇文章的作者Lohse和他的同事们还发现了，伴随着这一系列现象的同时，还会有一束光的产生。这束光的产生机理和所谓的“声光现象”十分类似。因此Lohse和同事们诙谐的将此现象称为“虾光现象” (shrimpoluminescence) ！

Figure 3：Snapping Shrimp热带虾关闭钳子的动作

- 非线性声学（non-linear acoustics）：本系列虽不涉及此部分内容，但是在随后的章节中会简要讨论线性声学与非线性声学的区别

- 水下声学（underwater sound）：水下声学是声学的一个重要分支，其重要性与其说来源于水声的物理现象和特点（不过这通常来讲是与空气声问题一致的），不如说是来源于其所对应应用的重要性和特定性。水声学首先是军事中的重点研究课题：

o   高功率超声发射器与高敏感度接收器的设计

o   信号处理用于辨认由特定物体发出的声源（如舰船，潜艇），或者用于辨认可以反射声呐信号的物体

在民用领域，同样存在着包括声呐技术在内的水下声学技术的广泛应用，如：

o   海洋探测，海底成像，包括寻找船只残骸或者沉没海底的古遗迹

o   捕鱼：探测鱼群，预测鱼群数量

o   海洋植物群研究

o   分析海洋沉淀层的厚度，成分，饱和度

- 换能及声学测量（transduction and acoustical measurements）：在声学领域，换能的研究范围覆盖两方面：1）由其他能量信号（如电，磁，机械）转换而成的声学信号；2）将声学信号转换成其他类型的能量信号，这主要是为了声学计量的目的。

下面举两个将其他类型能量转换为声能量的例子：

o   扬声器：扬声器振膜的后方是一个固定的永磁体，磁体被通电的线圈围绕。线圈中通过磁感线的电流与磁体之间会产生力的作用，并通过结构连接导致扬声器振膜的振动，由此产生空气中压力的传播，即声音的产生。

o   压电材料或磁致伸缩材料：亦统称活性材料（active materials）。在此类材料中存在着应力应变场与电场或与磁场之间的耦合。如通过压电晶体的交流电会产生晶体的振动，并将振动产生的声波传到附近的流体中。

如利用与上述工作机理相反的工作方式，则是关于测量设备或仪器的例子，如：

o   压电材料若受到外部声波的机械激励，会产生相应的振动，并通过力场与电场的耦合，在其材料内部产生可以被测量的电信号

o   麦克风，传声器：流场中的振动（声波）传播到麦克风的振膜处，带动振膜振动，这会改变传声器的电阻抗特性从而改变电流的强度

- 噪音，其影响与控制（noise, its effects and control）：这部分主要是关于声学的规范，如：

o   在不同情况下如何测量噪声的规范：道路噪声，工作环境噪声，机场或厂房附近的噪声环境等

o   对于测量结果的解读，将测量结果与对受噪声影响人们的调查意见进行关联性分析

o   标准与规范的制订

o   解决给定环境下的具体噪声问题：如何在厂房中优化机器及操作员的位置；对于地板、天花板、房间隔板的材料选择等

- 声音信号处理（acoustic signal processing）: 关于声音信号处理技术与技巧的具体应用。本系列之后的篇幅将会介绍傅里叶变换，即属于此部分范畴。

- 心理声学（psychological acoustics）: 将客观声学指标，如声压级的分贝（dB）值，与人们对噪声的主观感受相关联。心理声学主要关注：

o   研究并定义用来描述个体对噪声主观感受的指标

o   分析个体接收不同类型**（如声音，振动，视觉）之间的关联性，以及此类关联对于主观噪音感受的影响与解释。更一般性的，分析与解释个体心理与感官状态及其暴露于噪声中的历史条件对其当前主观噪声感受的影响

o   关于个体感受到的声音是噪音亦或是乐音的讨论。然而这方面的讨论经常伴随着矛盾与悖论。

- 音乐及乐器（music and musical instruments）: 从数学和物理学的角度对音乐及乐器的全方面研究

在以上这些主题类别之外，还有电声学（electro-acoustics）这个分支。这部分内容在国际音频工程协会Audio Engineering Society（AES）的期刊中有较多涉及。

2.3 声音的频率

声音的特征可以由其频率（单频或众多频率）的构成来描述。频率的单位是赫兹（Hertz，Hz，S^-1）。通过频率区间的区分，声可以划分为四个频率域（Figure 4）：

- 次声（infrasound）：覆盖从0到20Hz的频谱

- 可被人耳听到的声音：覆盖从20Hz到20000Hz（20KHz）的频谱。在这其中，人耳对从20Hz到4000Hz的声音最为敏感（Figure 5）

- 超声（ultrasound）：其频率范围从20KHz开始，一般定义到1GHz，即10⁹Hz。

- 特超声(hypersound) ：其频率范围在1GHz以上

Figure 4：声的频率谱

Figure5：钢琴键盘覆盖的频率仅包括人耳感受最为敏感的频率区间

虽然本系列内容仅针对人耳可感受到的声音范围进行讨论，但是大部分的概念和理论推导在一般情况下同样适用于超声的范围，同时这些概念和推导在稍窄一点的范围内也适用于次声理论。下面简单介绍次声，超声和特超声的主要特点。

2.3.1 次声

频率在20Hz以下的声音是基本不能被人耳听到的。作为参照，钢琴键盘上最左侧键的基础频率是27.5Hz。次声虽然不能真正被人耳听到，但是它对人体的力学激励却可以被人体感受到。在次声的频率范围内（1Hz ~ 20Hz），声波的长度（波长）相当可观。频率为1Hz的声波其波长为340米， 频率为20Hz声波的波长为17米。如此长的波长导致声波只能和尺寸较大型的障碍物发生相互作用，而不会被尺寸较小的障碍物所干扰。次声的频率范围正好是人类一些器官的共振频率，如眼球。这可以解释次声对生理学产生的若干现象。需要注意，这些次声对生理的现象：

- 仅在信号声压级较高时其作用才会被明显感受到。例如，140分贝以上的次声才会使人体产生较明显的不适效果

- 经常包含除了狭义声学范围之外的感官效果，而此时已经难以区分纯声学现象及其伴生的其他现象。例如，实验显示有些动物在感受到远处传来的伴随着闪电的雷声时会陷入惊恐或休克的状态，但是在听到由放音机播放的同样低频的次声信号时却不会发生类似的反应。

自然界的众多现象可以产生次声，如雷鸣，火山爆发，地震，流星雨，雪崩等。次声同样可以产生于众多人造产品中，如关门时的声音（房屋门关闭时的次声可以被测量到，但是很难在房间内被感受到；然而在汽车门密封条的设计时则需要考虑到这点，以避免车门关闭时次声的产生）。再如，水电站中水力夯锤的运转，或高炉中的考伯式热风炉的共振次声问题。

事实上，生成声压级较高的纯粹次声是相当困难，或者可以说是基本不可能的。非常容易发生的非线性现象会将次声声源信号中的一部分能量（有时是相当可观的一部分能量）转化到其高阶谐频上去，这就使得次声信号变得不再纯粹。通过纯粹的简谐振动产生次声的情况较为罕见，而通过历时极短的机械现象产生宽频信号，并在此宽频信号中寻找其包含的次声信号的情况则更常见一些。普遍来说，所有的爆破现象均会产生一部分次声信号。

2.3.2 超声

频率在20KHz以上的压力波动通常不能被人类听到。其他一些哺乳动物则可以听到超声频率的声音（如超音波训狗哨）。超声的频率范围截止到1GHz。在众多工业领域中存在超声的应用，如：

- 超声焊接

- 工艺技术：乳化，均质化

- 无损探测（侦测气泡，损伤，缺陷，厚度测量）

- 超声波化学

-声呐（水深测量，捕鱼，鱼雷导航）

超声在医疗领域的应用：

- 超声波检查（如B型成像，亦称B超）

- 超声烧灼肿瘤

- 超声震荡碎结石

声光现象：当存在于液体中的气泡受到声场作用时，气泡会产生震荡。气泡中的气体由于受到压缩，温度会随之升高，在某些特定条件下，会伴随光束的产生。

声化学：我们可以通过在液态化学反应中生成空化的方式影响反应的速率。这种作用与若干现象相关联： 

- 在化学反应的局部生成过热区域

- 声能在流体中的能量耗散产生出能量梯度以及伴随产生的力场，这使媒质发生声学对流效应，被称为streaming

- 超声空化产生不稳定的气泡云，气泡的破裂会在局部产生超强的物质混合

- 在有固态催化剂参加的化学反应中，气泡的破裂还可以帮助催化剂清洁其表层，使催化剂再度活跃

2.3.3 特超声

特超声的频率从10⁹Hz开始，由于受到材料结构周期性以及原子尺度的限制，特超声的频率一般到10¹³Hz截止。特超声波长极短，只能在没有缺陷的单晶体材料中有效的传播。

2.4 对噪声认识的发展现状

声学研究在最近几十年发展迅速，这主要是受到如下几点相互关联因素的影响，：

- 噪声逐渐被认为是一种主要环境污染源，且被作为治理对象（Figure 6）

- 噪声规范的产生及严格化

- 工业企业将产品的噪声特性（静音特性）作为产品的市场竞争要素之一

Figure 6：2008年5月摄于纽约《价值不菲的鸣笛》

噪声逐渐被认定为环境污染的主要因素，这是推动声学研究发展的重要原因。众多研究揭示了噪声对人类活动的影响，如：

- 影响语言沟通：噪声干扰人与人之间的语言交流，降低交流质量

- 降低注意力：噪声降低人们的注意力，并中断人们工作的连续性，降低工作效率

- 影响听力：如长时间暴露在强噪声环境中，人的听力可能会受到阶段性或永久性的损伤，其影响的结果可从有限的听力障碍至完全失聪

- 其他的生理学后果及损伤：噪声引起的婴儿早产，突发性心血管症状，精神科问题

- 睡眠质量：在睡眠的各个阶段，如噪声超过一定量级，便会对睡眠的质量产生负面影响

各政府及国际组织（如欧盟）通过制定规范的方式强制规定噪声的最大指标。于是针对飞机，汽车，火车及各种工业品制定了不同的噪声标准，规定其噪声指标。工业企业一方面需要接受噪声标准的限制，一方面也逐渐认识到噪声作为产品质量的主要因素，会影响客户的购物选择。

以汽车行业为例，早于1973年，消费者选择一款汽车的主要标准是车辆外观，动力（加速，扭矩）以及驾驶乐趣。随后的石油危机导致选择重点转移到汽车的经济性，即燃油经济性和车辆耐久性。再之后，汽车的安全性（防撞，发生事故时人员生存几率）以及舒适性（座椅，悬挂，空调等）逐渐成为了消费者的选择指标。离我们更近一些的市场发展情况显示，声学舒适性成为了消费者做选择的重要因素。很多消费者会主动选择同一等级汽车中最安静的车型。

在最近发展迅速的电动车和混动车辆中，我们却会遇到与从前问题相反的声学问题。一方面，新能源汽车的噪声有可能过小，不足以引起行人的注意并对其造成危险，因此存在着将声音人为放大的需求；另一方面，新能源车的声音对驾驶员产生的反馈不同于传统能源车的声音，这样可能会使驾驶员在操作中产生误判，因此存在着将声音信号进行过滤的需求。新能源汽车的声音在某些特定情况下还有可能是完全人工合成的结果。

与声音有关的商业广告（Figure 7）更是揭示了消费者需求心态的变化。消费者在选购洗衣机，吸尘器等产品时，一般会倾向于同等价位产品中噪音较低的款型。

Figure 7：与产品噪音有关的两则商业广告