【作者：中科院聲學(xué)研究所所長(zhǎng)、研究員田靜】

        聲學(xué)是一門(mén)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(huì)活動(dòng)的各個(gè)方面;同時(shí)聲學(xué)又是一門(mén)具有很強(qiáng)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(qiáng)了聲學(xué)的生命力、競(jìng)爭(zhēng)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(gè)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(shí)際上有雙重的含義，我們一般地理解，人的耳朵能夠感覺(jué)到的聲波的作用就稱之為聲，這么說(shuō)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(dòng)，是一種機(jī)械波，從這個(gè)概念上來(lái)講，聲的范疇就很廣。什么叫擾動(dòng)呢?擾動(dòng)是說(shuō)在空氣、固體或液體中的一個(gè)密度的、或者是壓力的、或者是速度的一個(gè)小的變化，這個(gè)變化在這種彈性體里面就會(huì)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(gè)傳遞的能量就是聲。在這么一個(gè)聲的概念上，只要在彈性介質(zhì)中有一個(gè)不穩(wěn)定，就會(huì)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(gè)字叫音，我們中國(guó)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(jué)的這么一種聲，講通俗一點(diǎn)，就是有意義的聲。我在講話時(shí)發(fā)出的這個(gè)聲，你的耳朵聽(tīng)到以后，能夠體會(huì)到有某一種含義在里面，或者是感覺(jué)到了某種意思，這個(gè)就是音。我國(guó)古代對(duì)聲和音的關(guān)系已經(jīng)有很好的認(rèn)識(shí)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(wú)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(diǎn)就是說(shuō)有理不在言高，只要你道理能夠說(shuō)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(shuō)話里面的含義。在這里老子對(duì)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(shí)候，常說(shuō)“百聞不如一見(jiàn)”，你聽(tīng)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(gè)成語(yǔ)叫做“未見(jiàn)其人，先聞其聲”，一個(gè)比較熟悉的人從外邊走過(guò)來(lái)，我們還沒(méi)有看到這個(gè)人，就聽(tīng)他的腳步聲，或者他在外邊的嗓門(mén)很高，我們就聽(tīng)到是誰(shuí)來(lái)了，然后就喊一嗓子說(shuō)你趕緊進(jìn)來(lái)，這就是聲的特點(diǎn)。在沒(méi)有看到，不透光的時(shí)候，你就能夠聽(tīng)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(lái)進(jìn)行探測(cè)，比如說(shuō)在海洋里面，水下光波和電磁波都衰減很快，對(duì)光來(lái)說(shuō)，紅外光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，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(yǔ)音是人和人之間的交流的一個(gè)最直接的有效手段，大家每天都在用語(yǔ)言來(lái)溝通，實(shí)際上人的思考也常常是用語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行，語(yǔ)音是把語(yǔ)言表述出來(lái)的物理形式。這個(gè)聲，現(xiàn)在不僅用于人和人之間的這種溝通了，實(shí)際上人和機(jī)器之間的溝通，人機(jī)對(duì)話慢慢的也發(fā)展為一種主要的手段。我們看計(jì)算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)小到這么一個(gè)筆記本，而筆記本電腦若去掉一個(gè)屏幕，去掉一個(gè)鍵盤(pán)，里面還有多少東西呢?就剩下了一個(gè)芯片。所以如果計(jì)算機(jī)可以使用語(yǔ)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(jiǎn)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(diǎn)，就是關(guān)于聲音的學(xué)問(wèn)，就叫聲學(xué)。

　　聲音從產(chǎn)生，比如說(shuō)由一個(gè)喇叭產(chǎn)生的聲音，通過(guò)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(gè)響應(yīng)，變成了電，電信號(hào)到了大腦進(jìn)行處理，這就是一個(gè)完整的過(guò)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(hào)變成電信號(hào);聲波的效應(yīng)實(shí)際上還會(huì)產(chǎn)生一些與物質(zhì)之間的相互作用，和其它過(guò)程，如燃燒、流動(dòng)這樣的一些過(guò)程之間，都會(huì)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(gè)擾動(dòng)的傳播，擾動(dòng)就有快慢。聲學(xué)研究的擾動(dòng)是怎么樣一個(gè)范圍呢?廣義的講，聲學(xué)研究的范圍是從10-4赫茲開(kāi)始，也就是每秒鐘振動(dòng)10-4次，反過(guò)來(lái)講，就是一個(gè)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(dòng)力學(xué)，研究的是平穩(wěn)的，變化很慢的。10-4到20赫茲，這個(gè)范疇我們叫次聲，這是人的耳朵聽(tīng)不到的聲，就是變化很慢的聲音。實(shí)際上人的耳朵對(duì)聲波的響應(yīng)范圍很窄，是從20赫到2萬(wàn)赫，在這個(gè)范圍以外，人的耳朵都聽(tīng)不見(jiàn)了，所以在這個(gè)范圍以內(nèi)的聲波稱為可聽(tīng)聲，2萬(wàn)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(tái)風(fēng)，像前幾天南中國(guó)海刮過(guò)的“尤它”，后來(lái)的“榴蓮”等等一系列臺(tái)風(fēng)，都會(huì)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(hào)，然后可以處理，可以定位，臺(tái)風(fēng)在什么地方，強(qiáng)度的大小，都可以知道。地震波監(jiān)測(cè)實(shí)際上就是次聲監(jiān)測(cè)，過(guò)去聲學(xué)所在全國(guó)有很多的監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)核爆炸產(chǎn)生的次聲波，沿著地球的表面?zhèn)鞑サ那闆r?，F(xiàn)在的國(guó)際核軍控，聲學(xué)的辦法也還是一種監(jiān)測(cè)手段。后來(lái)這些監(jiān)測(cè)站，慢慢都移交給了地方的地震臺(tái)站，因?yàn)樗褪怯脕?lái)監(jiān)測(cè)地殼振動(dòng)。

　　到了可聽(tīng)聲的頻段，大家就比較熟悉了。我們知道，走在馬路邊，感覺(jué)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(gè)房間里講話能不能聽(tīng)得清楚，就是建筑聲學(xué)的研究范疇。當(dāng)然語(yǔ)言、音樂(lè)，都是可聽(tīng)聲的研究范圍。到了2萬(wàn)赫以上，人的耳朵也聽(tīng)不見(jiàn)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(lái)檢測(cè)我們?nèi)梭w內(nèi)有沒(méi)有病變，有沒(méi)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(dòng)物把超聲來(lái)作為它的眼睛來(lái)用的，那就是蝙蝠，它發(fā)出超聲波，然后來(lái)探測(cè)它前面有沒(méi)有障礙，隨時(shí)拐彎，所以蝙蝠用的就是空氣里面的聲吶。

　　聲學(xué)研究的強(qiáng)度范圍

　　聲波的強(qiáng)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(shí)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(duì)這樣的一個(gè)強(qiáng)度范圍，在表述和使用時(shí)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(qiáng)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(gè)牌子說(shuō)今天這個(gè)地方噪聲多少分貝，那么分貝的概念是什么?實(shí)際上分貝代表的是人的對(duì)聲音的主觀反映。在視覺(jué)上，由于背景的不同，往往一樣高的物體給人的感覺(jué)好像不一樣高;把人的感覺(jué)強(qiáng)弱與原有的背景相關(guān)的這種普遍性是一個(gè)叫韋伯的人總結(jié)出來(lái)的，所以叫做韋伯定理。對(duì)聲學(xué)而言，也有同樣的情況。人的耳朵對(duì)聲音響度的感覺(jué)，與強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，而不是單純地與強(qiáng)度刺激本身成正比，這是什么意思呢?比如說(shuō)我們的手的感覺(jué)，在手里什么都沒(méi)有的情況下，放一個(gè)粉筆頭上去，就能很容易地感覺(jué)到;但是如果先給他放上一塊磚頭，然后再輕輕地放一個(gè)粉筆頭在上面，可能就很難感覺(jué)到了，這是什么原因呢?就是因?yàn)楸尘霸瓉?lái)有了一個(gè)磚頭在那里。這樣的一個(gè)關(guān)系寫(xiě)成公式就是，感覺(jué)和變化量成正比，同時(shí)還和原來(lái)的基礎(chǔ)量成反比，這個(gè)關(guān)系兩邊求積分，得到的就是對(duì)數(shù)。所以說(shuō)聲音的強(qiáng)度不是用線性量來(lái)描述的，而是用這樣的一個(gè)變化量與基礎(chǔ)量的比值的以十為底的對(duì)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(duì)能量的強(qiáng)度刺激而言的，對(duì)壓力而言，因?yàn)槟芰亢蛪毫Φ钠椒匠烧龋月晧杭?jí)是以聲壓的對(duì)數(shù)乘以20。

　　用分貝的概念來(lái)表述聲音強(qiáng)度的時(shí)候，我們所研究強(qiáng)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(shí)際上是人的聽(tīng)閾，每人不一樣。一個(gè)比較健康的聽(tīng)力很好的人，可能能夠聽(tīng)到0分貝的聲音，聽(tīng)力稍微差一點(diǎn)的可能到了20分貝這時(shí)候才剛剛有感覺(jué)，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(chóng)叫都沒(méi)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(shí)驗(yàn)室還可以找到這樣的一個(gè)區(qū)域。在這個(gè)以上，20—30分貝，是比較理想的休息的場(chǎng)所，比如說(shuō)很安靜的臥室、病房里，非常非常安靜，這時(shí)候你能夠聽(tīng)到放在耳朵旁邊的手表噠噠的很響，蚊子叫也覺(jué)得很煩。到了40分貝，在一個(gè)不靠近馬路邊的比較安靜的居民區(qū)里的書(shū)房或者是圖書(shū)館里，可以非常安心地看書(shū)、學(xué)習(xí)和思考的地方。一般的面對(duì)面的交談，離的比較近，聲級(jí)大概也就是50—60分貝。在一個(gè)商業(yè)的辦公室里面，若有打字機(jī)、計(jì)算機(jī)等等，一般在60分貝左右，不超過(guò)70分貝，大家覺(jué)得就能夠忍受。超過(guò)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(guò)的時(shí)候，就到了八九十分貝了，就會(huì)感覺(jué)很吵了。100分貝就到了施工工地了，現(xiàn)在每天大家聽(tīng)到灌水泥漿的聲音，在那附近差不多就是100多分貝;還有時(shí)在馬路上會(huì)看到工人在使用風(fēng)鉆，旁邊的噪聲就到100多分貝了，走過(guò)旁邊，會(huì)覺(jué)得非常難聽(tīng)，非常吵。更高的聲音，也不太常見(jiàn)，比如在噴氣飛機(jī)起飛的時(shí)候，在100米以外，聽(tīng)到的差不多就是120分貝的聲音。再高，比如說(shuō)到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)25米的地方，就可能達(dá)到140分貝，這時(shí)候人的感覺(jué)已經(jīng)不再是吵了，耳朵已經(jīng)疼了。在朝上說(shuō)，人的胸腔都要振動(dòng)起來(lái)了，對(duì)人就有危險(xiǎn)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(shuō)是極限，一般的到180分貝已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)了，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)室條件下可以實(shí)現(xiàn)180分貝的聲強(qiáng)度。