第八讲 与声学有关的交叉学科

第八讲与声学有关的交叉学科声学之所以被认为是“最古老而又最年轻的学科”，其根本原因是声学本身与其他许多学科之间存在着非常广泛的相互渗透关系，以致形成许多相应的边缘学科，其中不仅涉及包括生命科学在内的几乎所有主要的基础自然科学，还在相当程度上涉及若干人文科学．这种广泛性不仅在物理学其他分支中，即使在整个自然科学中也是非常罕见的．现代声学是一门跨层次的基础性学科，研究从微观到宏观、从次声(长波)到特超声(短波)的一切形式的线性与非线性声(机械)波现象．同时，现代声学具有极强的交叉性与延伸性，它与现代科学技术的大部分学科发生了交叉，形成了一系列诸如声化学、医学超声学、生物声学、海洋声学、环境声学、建筑声学、语言声学等新型独特的交叉学科方向，在现代科学技术中起着举足轻重的作用．现代声学更是一门具有广泛应用性的学科，对当代科学技术的发展、社会经济的进步、国防事业的现代化、以及人民物质与精神生活的改善与提高中发挥着极其重要、甚至不可替代的作用．本讲分别做一简介．§8.1次声学§8.2大气声学§8.3电声学§8.4生理声学§8.5生物声学§8.6水声学§8.7语言声学次声学的研究范畴次声学的发展历史次声学次声波在大气中的传播特性次声学的应用次声学是研究次声波在媒质中的产生、传播和接收及其效应和应用的科学．次声学的研究范畴次声是频率低于可听声频率范围的声，它的频率范围大致为10-4Hz ～20Hz ．次声学的发展历史早在19世纪，人们就已记录到了自然界中一些偶发事件(如大火山爆发或流星爆炸)所产生的次声波．其中最著名的是1883年8月27日，印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，它产生的次声波传播了十几万公里，当时用简单微气压计都可以记录到它．在理论方面，最早在1890年，英国物理学家瑞利就开始了大气振荡现象的研究．第一次世界大战前后，火炮和高能炸药的出现，提供了较大的声源，促进了对次声在大气中传播现象的了解．在20世纪20年代还进行了高层大气的温度和风对次声传播影响的研究，并建立了探测高层大气的简单声学方法，为此还研制了灵敏度更高的微气压计、热线式次声传声器．30年代发展了电容次声传声器．40年代后，利用声波在大气中的传播速度与温度的均方根成正比关系的原理，提出了火箭-榴弹次声法测定高层大气温度和风速的方法，发展了次声接收和定位的新技术．核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和次声传播等方面部有了很大发展．核爆炸会形成强大的次声源，它产生的次声波在大气中可以传播得非常远，次声方法曾成为探测大气中核爆炸的主要方法之一．为此建立了许多次声观察站，进行了长时期连续记录和观察．人们还发现了大气中存在许多自然次声源，对它们的发声机制和特性进行了初步的了解．现在知道的自然次声源有火山爆发、流星、极光、电离层扰动、地震、晴空湍流、海啸、台风、雷暴、龙卷风、雷电等．认识并利用次声方法来预测它们的活动规律，已成为近代次声学研究的重要课题．长周期的次声波在电离层中传播，使电离层受到扰动，这种以声重力波方式传播的次声波成为高空大气研究中非常活跃的课题之一．次声波在大气中的传播特性次声在大气中的传播衰减小声在大气中传播的衰减主要是由分子吸收、热传导、和粘滞效应引起的，相应的吸收系数与频率的二次方成正比．由于次声的频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小．此外，湍流的作用也会引起次声波的衰减．但是它们的影响都很小，通常可略去不计．大气温度、密度和风速影响次声在大气中的传播大气温度、密度和风速随高度具有不均匀分布的特性，使得次声在大气中传播时出现“影区”、聚焦和波导等现象．大气温度当高度增加时，气温逐渐降低，在20公里左右出现一个极小值；之后，又开始随高度的增加，气温上升，在50公里左右气温再次降低，在80公里左右形成第二个极小值；然后复又升高．大气次声波导现象与这种温度分布有密切关系．声波主要沿着温度极小值所形成的通道(称为声道)传播．通常将20公里高度极小值附近的大气层称为大气下声道，高度80公里附近的大气层称为大气上声道．次声波在大气中传播时，可以同时受到两个声道作用的影响．次声在大气中的传播具有衰减小并受波导和重力影响等特点．在距离声源100～200公里处，次声信号很弱，通常将这样的区域称为影区．在某种大气温度分布条件下，经过声道传输次声波聚集在某一区域，这一区域称它为聚焦区．风速风也会对次声在大气中的传播产生很大的影响．次声的传播在顺风和逆风时差别很大：顺风时，声线较集中于低层大气；逆风时，产生较大的影区．不同频率的次声在大气声道中传播速度不相同，产生频散现象，这使得在不同地点测得次声波的波形各不相同．大气密度大气的密度随高度增加而递减，如果次声波的波长很大，例如有几十公里长，这时，在一个波长的范围内，大气密度已经产生显著的变化了．当大气媒质在声波的作用下受到压缩时，它的重心较周围媒质提高，这时除了弹性恢复力作用外，它还受重力的作用．反之，当它在声波作用下膨胀时，也有附加重力作用使它恢复到平衡状态．所以长周期的次声波，除了弹性力作用外，还附加有重力的作用，这种情况下，次声波通常称为声重力波．声重力波在大气中传播时，在理论上可以看作是一些简正波的叠加．基本上可分为声分支和重力分支．它们在大气中传播都具有频散现象．由于重力分支主要能量在地面附近传播，而地面附近温度较高，因此传播速度较大．次声学的应用早在第二次世界大战前，次声方法已应用于探测火炮的位臵，可是直到20世纪50年代，它在其他方面的应用问题才开始被人们注意，它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制，更深入地认识这些现象的特性和规律．利用接收到的被测声源所辐射的次声波，探测它的位臵、大小和其它特性．预测自然灾害性事件．对大范围某些大规模大气现象的性质和规律的连续探测、监视和预测．通过测定次声波与大气中其它波动的相互作用的结果，探测这些活动特性．利用测定次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况．大气声学大气声学的研究范畴大气声学的主要研究内容大气声学的发展历史大气声学的研究范畴大气声学是研究大气声波的产生机制和各种声源的声波在大气中传播规律的分支，作为以声学方法探测大气的一种手段，也可看成是大气物理的一个分支．大气中存在着的各种各样的声音，可以笼统的分成自然的和人为的两大类．大气声学的主要研究内容自然声主要来源于一系列气象现象和其他地球物理现象，如飓风(台风)、海浪、地震、极光、磁暴等．它们不仅产生可听声而且更产生次声；风的呼啸是由于大气涡旋通过各种障碍物时被破坏而产生的．其他一些常见的自然声则大多来自空气流中某些物体的振动，如电线的嗡嗡声、树叶的沙沙声等．人为声人为的声音中主要是工业和交通工具的噪声，特别是超音速喷气机飞行时产生的冲击波传播问题，日益引起人们的注意．如果大气条件有利于这种波的聚焦，那么地面上的建筑物和人的健康就会受到危害．主要研究内容声源定位频谱分析雷电声随着声定位技术的发展，现在已可由若干个接收站测得的数据定出自然声源或人为声源的位臵，这在预报台风、地震以及侦察核爆炸、炮位中都有具体应用．随着数字式数据处理技术的迅速改进，这类应用将日臻完善和广泛．大气中自然源发出的声波具有极宽的频谱，此外，在周期几分钟至几十分钟内，还存在一类空气压缩力和重力共同参与作用的声重力波．不过大部分自然声源主要产生大气次声波．由于发声过程的复杂性、测量技术和识别声源方面的困难，仅对雷声作过较多的频谱测量，其他发声过程的频谱尚只能估计．雷是伴随闪电出现的大气发声现象．雷形成的机制，主要是强烈的闪电放电时，电流通过闪电通道而产生高温高压等离子体，造成一个向通道四周传播的激震波，这个高压激震波在很短距离内迅速衰减并退化为强的可闻声和次声．大气不均匀性的影响从声学观点来看，大气是一种运动着的不均匀媒质，大气声学的重大课题都与声在大气中传播时所发生的现象相关联．大气的密度和温度随高度而降低，而温度在某些高度重新增长．在这种规则的不均匀性上，叠加着温度和风随气象条件的变化以及不同尺度的随机湍流脉动．所有这些不均匀性都对声传播产生强烈影响：无湍流大气的分层不均匀性使声音产生折射；湍流不均匀性引起声音的散射和减弱．不同频率的声波在大气中具有不同的传播速度，因而在大气中传播的(非单频)次声波会产生频散．同时大气特定的温度层结构和风结构对各种频率和向各个方向传播的次声波具有选择作用，即只允许某些频率的次声波作远距离传播，其余频率的传播则受到强烈抑制，这就是大气选频作用．次声波的频散和大气选频作用，在探测人工和自然声源以及解释声信号特征方面，都是十分重要的．频散和选频由于闪电放电的复杂性，不同闪电的雷声在时间变化和强度等方面也有很大差异，大体可分为炸雷(持续时间1秒左右的强烈雷声脉冲)、闷雷(重复数次的隆隆声脉冲)和拉磨雷(持续较长时间的低沉声响)三种．电声学电声学的研究范畴电声换能器电声学的发展历史电声技术电声学与其它学科的交叉电声学的研究范畴电声学是研究声电相互转换的原理和技术，以及声信号的存储、加工、传递、测量和利用的科学．它所涉及的频率范围很广泛，从极低频的次声一直延伸到几十亿赫的特超声．不过通常所指的电声，都属于可听声范围．电声学的发展历史电声技术的历史最早可以追溯到19世纪，由爱迪生发明留声机和贝尔发明用于电话机的碳粒传声器开始，1881年曾有人以两个碳粒传声器连接几对耳机，作了双通路的立体声传递表演．大约在1919年第一次用电子管放大器和电磁式扬声器做了扩声实验．在第一次世界大战以后，科学家们把机电方面的研究成果应用于电声领域中，于是电声学就有了理论基础．随着电声换能器理论的发展，较为完善的各类电声设备和电声测量仪器相继问世，特别是20世纪70年代来，电子计算机和激光技术在电声领域中的应用，大大促进了电声学的发展．电声换能器电声换能器是把声能转换成电能或电能转换成声能的器件，对它的研究是电声学的一个重要内容分支．通常所指的电声换能器，都属于可听声范围．电声换器能的组成各种电声换能器，尽管其类型、功用或工作状态不同，它们都包含两个基本组成部分，即电系统和机械振动系统．在换能器内部，电系统和机械振动系统之间通过某种物理效应相互联系，以完成能量的转换．在其外部，换能器的电系统与信号发生器的输出回路，或前级放大器的输入回路相匹配．换能器的机械振动系统，以其振动表面与声场相匹配．设计电声换能器要同时考虑到力-电-声三个体系．这三种体系是互相牵制的，处理得不好往往会顾此失彼．电声转换器的分类广义的电声换能器应用的频率范围很宽，包括次声、可听声、超声换能器．属于可听声频率范围内的电声换能器分类如下：声频换能器按用途分传声器扬声器送受话器助听器按换能方式分可逆换能器不可逆换能器电动式静电式压电式可用作声发射器碳粒式离子式调制气流式电声技术电声技术是电声领域中发展得比较快的一个分支，在政治、军事、文化各个领域内有着广泛的应用．例如，应用于有线或无线通信系统；有线或无线广播系统以及会场、剧院的扩声；录音棚、高保真录放系统等；此外还应用于发展中的声控、语控技术；以及语言识别等新技术．总起来说，它主要包括录放声技术、扩声技术以及与它们有关的电声仪器和电声测试技术等．录放声技术录放声技术是指把自然声音经过一系列技术设备(如传声器、录音机、拾声器等)进行接收、放大、传送、存储、记录和复制加工，然后再重放出来供人聆听的技术．它研究的主要问题是如何保持自然声的优良的音质，即在各个环节以及整个系统，都具有逼真地保持声音信号原来面貌的能力，包括对声音信号进行必要的美化和加工．声频放声装臵可分成四个部分：电信号提取设备——输入端录声机、电唱机、接收机，是从盒式磁带、唱片及广播电波中把希望的节目作为电信号提取出来的设备．调音设备——前级控制台(包括前臵放大器、衰减器、混合网路等)主要作调音用．功率放大器——将控制台的输出信号增强到能够驱动扬声器系统工作的放大器．声辐射器——扬声器或耳机，将电信号转换成声信号．收听室相当于扬声器系统的使用环境，对重放音乐的音质起很大的作用．扩声系统扩声系统主要包括：扩声系统是具有反馈的系统．在通路增益足够大时系统就会失去稳定性，并过渡到自振状态，产生啸叫．所以在扩声技术中除了对声信号进行加工美化外，为了提高扩声系统的最大功率增益，改进扩声质量和系统的稳定性，必须采取措施来抑制声反馈所引起的声音畸变．把电信号转变为声信号的扬声器和听众区的声学环境声源和它周围的环境把声信号转变为电信号的传声器放大电信号并对信号加工的设备传输线扩声不同于放声之处是传声器和扬声器处在同一声场内．电声学与其它学科的交叉电声学还是一门与人的主观因素密切相关的物理科学，原因是从声源到接收都摆脱不了人的因素．声音是多维空间问题(它包括音调、音色、持续时间、强度、声源方位以及噪声干扰等)，其中每一维变化都对听感有影响．复杂的主观感受并不是任何仪表所能完全反映出来的，这必须联系到生理声学和心理声学、语言声学甚至音乐声学和建筑声学等各个方面的问题，因而形成了电声学的特色和它的复杂性．社会的发展和生产的需要，对电声学提出了大量的实际和理论问题．因此电声学总的发展趋势是：提高检测声信号的能力仍是声测技术的主攻方向电声器件和电声设备朝着高保真、立体声、高抗噪能力、高效率、高通话容量的方向发展进行音质评价的研究，改善录放技术以及声音加工技术新的换能机理的研究以及新材料的开发总之，只要发声过程和听感(知觉)过程以及与二者互相联系的物理和生理上的规律不断为人们所掌握，电声学便会不断有新的发展，所以电声学是蕴藏着巨大生命力的学科．生理声学的研究范畴生理声学听觉系统发声系统生理声学的研究范畴生理声学是声学和生理学的边缘学科，它主要研究声音在人和动物引起的听觉过程、机理和特性，也包括人和动物的发声．听觉系统耳是听觉器官的统称．人耳可分为外耳、中耳和内耳，连同各级听觉中枢组成听觉系统．听觉的声学过程发生在外耳、中耳及内耳的耳蜗一部分，听觉的神经过程发生在耳蜗的感受器部分、听神经和听觉中枢．外耳包括耳廓和外耳道，主要起集声作用．中耳包括鼓膜、听骨链、鼓室、中耳机、咽鼓管等结构，主要起传声作用．耳蜗主要起感声作用．耳蜗是一有骨质外壳卷曲呈蜗牛状的三层平行管道结构，三层管道内充满淋巴液，分别称前庭阶、鼓阶和蜗管，后者夹在前二者当中，由软组织分隔．蜗管与鼓阶间的分隔称基底膜，上面排列着声音的感受器——螺旋器，其感受细胞为毛细胞．前庭阶和鼓阶各有一窗开向鼓室，分别称卵窗和圆窗，窗上均有膜．卵窗膜与听骨链内端的镫骨底板连在一起．耳蜗靠近窗的一端称基部，另一端称蜗顶．正常耳的传声途径是声波作用于鼓膜，经听骨链传入耳蜗，称气导．鼓膜面积比卵窗膜约大20倍，听骨链的杠杆结构使在鼓膜端振幅大、力小的振动变成在卵窗膜端振幅小、力大的振动，有如一个变压器，起到阻抗匹配的作用，从而提高了声音从空气媒质至淋巴液媒质的传播效率．声波也可通过头骨的振动直接传至内耳，称骨传声，不过传播效率较低．听觉机理包括从声波的机械振动至电、化学、神经脉冲、中枢信息加工等一系列过程．当听骨链推动卵窗膜产生振动时，声波便开始在耳蜗内的淋巴液媒质中传播，先经前庭阶，后经鼓阶．在传播途径中的时差造成了二阶各段每一瞬间的压力差，使基底膜上下波动，从耳蜗基部开始，顺序移向蜗顶，称行波．基底膜的运动使排列在它上面的螺旋器也相应地运动．由于惯性等作用，螺旋器内不同结构运动的方向差和速度差产生一种力，使感受细胞上的纤毛弯曲，改变了经常存在于蜗管和毛细胞之间的生物电流回路中的阻抗，从而调制了通过的电流．电流的变化导致感受细胞与听神经末梢间的突触释放化学递质，使神经末梢兴奋，发出神经脉冲．接受不同特性的各种声音后听神经发出的脉冲在时间和空间上各有不同的构型，它们携带有关声音的信息，顺序传至各级听觉中枢，经过处理和分析，最后产生反映声音各种复杂特性的听觉．发声系统发声器官在喉头，由声带、软骨韧带结构的支架、控制声带位臵和张力的肌肉群等组成．肌肉的活动由神经支配．从气管经喉头、咽部至嘴和鼻孔的管道称为声道．当气流从气管呼出时，呈一定张力的声带便可振动而发声，称嗓音．嗓音是多谐的，其基频的高低取决于声带的长短和张力．声音的强度则取决于气流的大小和速度．说话时基频范围约为100到300赫兹．男声较低，女声和童声较高．人类的语音包含极其大量的信息．发声的各种动作受大脑语言中枢的控制，通过学习后可以熟练地掌握．讲话者可以不断地通过听觉对发出的语音、唇舌等的触觉、声道肌肉群的本体感觉等接受反馈信息，这是语言流畅的重要条件．在学习通话时听觉的反馈尤其重要．绝大多数哑病是因为耳聋，患者的发声器官往往是正常的．生物声学的研究范畴生物声学生物声学发展简史生物声学的主要研究内容生物声学的研究范畴生物声学是研究能发声和有听觉动物的发声机制、声信号特征、声接收、加工和识别，动物声通信与动物声纳系统，以及各种动物的声行为的生物物理学分支学科．生物声学是介于生物学和声学之间的一门边缘学科，它是生物学、声学、语言学、医学、化学等多学科相互渗透的产物．广义的生物声学还涉及生物组织的声学特征、声对生物组织的效应、生物媒质的超声性质、超声的生物效应及超声剂量学等方面内容，并在此基础上形成了一个新的科学分支——超声生物物理学．生物声学的主要研究内容动物之间的联系和交往是维系它们种群和群落结构，以及进行正常生活的必要手段．光、电、磁以及化学气味都可以作动物交往的媒介，然而声信息在动物交往中却占有特别重要的地位．它最大优点是传递距离远，且易于负载丰富多彩的感情．生物声学主要围绕动物声交往这个内容进行着一系列有关课题的研究．主要研究同一种群内动物声的识别和交往功能研究动物的声发射和声接收器官及其工作机制，即动物声交往的生理基础和它们与动物形态学的关系．不同种群的动物声的区别和隔离功能动物声在种群和群落的形成和进化过程中的作用等许多动物的发声器官是声带，但有的却不是用声带产生动物声，如蚱蜢用后腿摩擦发声、蝉用腹下薄膜发声、鱼可用鳔发声、海豚主要靠鼻道发声等．动物接受声波的听觉器官也各不相同．如蚱蜢微小的听觉器官生在腹部；纺织娘靠前脚上一个肉眼看不到的微型薄膜感受声波；蟑螂是用尾须接收声波；雄蚊头上两根触角上的刚毛则对雌蚊翅膀的扇动声特别敏感；许多飞蛾都有一种内藏式的“声呐系统”可以收听超声波；大多数鱼的听觉器官便是体侧的侧线，在这些侧线中含有听觉神经末梢以受纳声波；蛇的听觉极弱，主要通过腹部感受周围环境的动静等等．。