声波的产生、传播和接收的分析

声波的产生、传播和接收

1．声波的产生机制

对声波进行研究，首先要弄清楚声波产生的机制。比如在研究语音识别、语音合成这些技术性的问题之前，就先要理解语音是怎么产生的。现在知道，语音产生的动力源于肺，肺的扩张收缩导致肺部空气运动，产生气流，气流经气管、喉、口腔、鼻腔、牙齿、嘴唇等器官调制以后，再传递到外部环境而产生语音。专业歌手歌唱时，还要使用胸腔乃至身体各部位的空腔产生共鸣。

声波产生机制研究的前沿问题主要包括流噪声（流致噪声）、结构声辐射和热声学等几个方面。

流噪声研究针对流体流动所产生的噪声，应用很广。当前最困难的问题是湍流所产生的无规噪声。计算机中的风扇运行，潜艇在水下的运动，都会导致流动的不稳定，这种不稳定可以发展成为一系列的涡，涡流变化比较快的时候，就会变成更加复杂的湍流。现已知道，实际上湍流里面不是无规的，而是有序的，有一定的科学规律，我们称之为混沌现象。掌握了这些规律，就可以利用声和涡之间的相互作用来控制流场或声场，比如可以利用声波来控制涡的产生和发展，也可以把声能变成涡的能量耗散掉。

热声学研究声与热之间的关系。大家知道，锅炉在燃烧的时候会产生很强的噪声。实际上，只要有一个温度的梯度，建立一定的机制，就可以通过热的传导发出非常强的声音。有一个典型的实验装置，就是在管子的下面加热，可以很容易发出一定的有调声音，称之为“瑞可”管。这就是一种热声现象，由于热梯度的存在和某种声场共振的机制，热变成了声。反过来，声音的传播也可以有效地传热或制冷，这种新技术叫声制冷，现在已经用到航天上面，用来冷却红外探测头，其优点是可以产生一般压缩机不可能达到的非常低的温度，比如到10开，就是－263摄氏度。

2．声波在水下的传播和衰减

声音在水中传播的效率非常高，因而有很多用处。下面先看看声波在水下是怎么传播的。美国从1995年开始筹备，1997年正式启动了一个国际性的声学大洋测温计划，在夏威夷附近的一个小岛边的水下，放置了一个大功率的声源，发出70赫左右的低频声波，然后在大洋的其他地方（包括在我国台湾以东）布置一些接收点，通过测量从声波发射点到接收点之间的距离和时间，就知道了声波的传播速度，而这个速度与温度有关。通过研究，已经认识了这种速度与温度的函数关系，所以就可以知道从发射点到接收点之间的大洋平均水温是多少。

大家都很关心地球正在变热的问题，即所谓“温室效应”，但是短时间内平均只有不到1摄氏度的变化对测量精度提出很高要求，到底是变了还是没变是一个很难回答的问题。

声学测温对此提供了一种可能的办法。声波在水中传播5 000千米差不多需要用1小时，测量的绝对误差大约只有20～30毫秒，相对误差不到十万分之一，足以较准确地测出大洋各处的平均温度。当然，声波在水下传播并不是简单的线性形式，海洋深处存在内波、孤子等各种现象，对声波的传播速度、频率成分的变化和衰减都会产生影响。把这些影响研究清楚，才有可能去发展新的声呐和水下探测技术。

声波在水下传播受水面和海底这两个边界条件限制，使得声波从一点到另一点的传播不是一个在空间自由发散的形式，而使得一些声波在水下传播时衰减得很严重，又能使另外一些声波可以高效地传播，从而形成“声道”。认识这样一些规律性的现象，对于水下信息的传递和探测都非常重要。

20世纪五六十年代，我国就开始研究声在水下的传播和声呐技术，为我国海军的发展做基础性的工作。当时制定的水声学研究的发展战略是由浅海然后慢慢过渡到深海，今天看，这一战略仍然非常实际、非常有远见。通过几十年的发展，我国的浅海声学研究已经达到国际公认的领先水平，而多数军事强国只是到了20世纪90年代特别是海湾战争以后，才充分认识到浅海声学研究的重要性。当然，由于巡航导弹、潜射导弹的发展，深海声学也越来越重要，但是浅海声学的研究对发展深海声学有很好的基础作用。实际上，因为浅海条件非常复杂，声道变化很大，多是楔型的，从岸边开始慢慢地越来越深。浅海声学的背景也很复杂，在浅海区域有很多渔船等各种各样的干扰。在这种情况下，声波怎么传播、怎么衰减，都有一些特点。

3．声波的接收

声波的接收首先要研究听觉的机理，它是声学里面最让人感兴趣的课题之一，因为它直接与人有关（见图11－8）。人感受到声音首先是通过耳朵，所以听觉一直是一个非常热门的研究方向，也是声学里唯一产生过诺贝尔奖的分支学科。

图11－8　听觉系统

宏观上讲，听觉机理包括几个学科的交叉。首先，外面有声音传播进入到耳朵里来是一个物理过程：声波从外面的一个扰动，传播而进入了人的耳朵，然后在鼓膜上产生响应，带动耳膜后的耳骨运动，耳骨的运动在耳蜗——也就是在一个像蜗牛形状的结构中产生一个响应，耳蜗周围有一些细胞，会刺激里面的皮层，然后产生电的响应。到了这样的层次，就变成了一个生理的过程。也就是说，声波传播到了耳蜗这个地方，就到了一个生理声学研究的范畴。

再进到里面，声信号变成了电信号，进入人的大脑，产生的响应就变成了心理的东西，后面的研究属于心理声学研究的范畴。听觉的机制研究是从物理到生理，然后到心理，是交叉性非常强的一个学科，很容易取得研究成果。

当然，现在研究声波的接收，更多的时候不是用耳朵，而是用话筒，专业上称为传声器，研究怎样把声音信号变成电信号，研究声和电之间是怎么样转变的，什么样的材料会产生这种变化，什么样的结构能够有效地实现这种变化。

不同声源发出的声音会产生新的声音成分，这称为声音的调制，也是声学研究关注的内容。图11－9中，A、B两个振动源发出的波形在空气媒介中相遇，发生空气分子级的调制合成，使听音者能听到两个声源发出的声音。

非线性声学也是国际上比较热门的研究方向，主要研究非常高强度下的声场及其作用，一个非常高的声级的声场，对它里面的一些设备，或者是有生命的动物都会产生非常大的影响。比如，由于声音的作用会产生结构的振动，这个振动可能会破坏掉这个结构。现在卫星上天之前，首先要检查它的一些仪器设备，是否经得住高声强的振动作用。这称为声振实验或声疲劳实验。若是某个结构被振裂，或者某个元器件被抖掉，卫星即使上了天也做不了任何事。另外，高声强声场本身的研究也很有意思，要建立这么一个高强度的声场并不容易，往往需要用流场的能量来建立高强度的声场，因而先要认识声场和流场的相互作用。

图11－9　声音的调制

声波和燃烧之间的作用也很有意思，燃烧会产生声音，声又会反过来影响燃烧。由于燃烧产生了声音，在火箭的发动机里面，就有可能在局部产生非常强的声音，以至于把火箭的结构给破坏掉，产生裂纹，使火箭脱离正常的运动轨迹，带来严重的后果。研究还发现，在一个燃烧场里面，加入适当的强声波会产生一定的促燃作用，破坏燃料表面的附面层，使得外边的热空气直接和里面的燃料接触，提高了燃烧的效率。这样的过程，都非常有用，有非常强的应用背景。

非线性声场的控制问题也是当前研究的热点。比如，在新材料的研究中，低频时能量耗散和衰减非常小，怎样通过材料设计，使得低频能量转移到高频上去，使某个频段的能量很容易衰减掉，这种材料就需要一个非线性机制。声场与这个材料作用的结果，很容易把声波衰减掉，按这类设想做出来的隔声材料、吸声材料，就可以很有效，也能做得很薄。

在声学效应研究中，声空化也是一个基础。在液体中，由于声波或者流动的作用，会产生一些气泡，研究发现，这些气泡在声波的作用下会发光，在破裂的瞬间还会产生非常高的温度，甚至产生非常强的电磁场，预计这个温度可以达到上千摄氏度。这是一个非常有趣的现象，如何建立它的描述方程并主动控制它，是一个挑战性很强的前沿探索性的课题。