[科普中国]-环境声学

学科起源

人类生活的环境里有各种声波，其中有的是用来传递信息和进行社会活动的，是人们需要的；有的会影响人的工作和休息，甚至危害人体的健康，是人们不需要的，称为噪声。

为了改善人类的声环境，保证语言清晰可懂，音乐优美动听。20世纪初，人们开始对建筑物内的音质问题进行研究，促进了建筑声学的形成和发展。50年代以来，随着工业生产、交通运输的迅猛发展，城市人口急剧增长，噪声源也越来越多，所产生的噪声也越来越强，造成人类生活环境的噪声污染日益严重。

因此，不仅要在建筑物内改善音质，而且要在建筑物内和在建筑物外的一定的空间范围内控制噪声，防止噪声的危害。这些问题的研究涉及物理学、生理学、心理学、生物学、医学、建筑学、音乐、通信、法学、管理科学等许多学科，经过长期的研究，成果逐渐汇聚，形成了一门综合性的科学──环境声学。在1974年召开的第八届国际声学会议上，环境声学这一术语被正式使用。

发展历史声学是物理学中很早就得到发展的学科。声音是自然界中非常普遍、直观的现象，它很早就被人们所认识，无论是中国还是古代希腊，对声音、特别是在音律方面都有相当的研究。

我国在3400多年以前的商代对乐器的制造和乐律学就已有丰富的知识，以后在声音的产生、传播、乐器制造、乐律学以及建筑和生产技术中声学效应的应用等方面，都有许多丰富的经验总结和卓越的发现和发明。国外对声的研究亦开始得很早，早在公元前500年，毕达哥拉斯就研究了音阶与和声问题，而对声学的系统研究则始于17世纪初伽利略对单摆周期和物体振动的研究。17世纪牛顿力学形成，把声学现象和机械运动统一起来，促进了声学的发展。声学的基本理论早在19世纪中叶就已相当完善，当时许多优秀的数学家、物理学家都对它作出过卓越的贡献。1877年英国物理学家瑞利（Lord JohnWilliam Rayleigh，1842～1919）发表巨著《声学原理》集其大成，使声学成为物理学中一门严谨的相对独立的分支学科，并由此拉开了现代声学的序幕。

声学又是当前物理学中最活跃的学科之一。声学日益密切地同声多种领域的现代科学技术紧密联系，形成众多的相对独立的分支学科，从最早形成的建筑声学、电声学直到目前仍在“定型”的“分子—量子声学”、“等离子体声学”和“地声学”等等，目前已超过20个，并且还有新的分支在不断产生。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。这种广泛性在物理学的其它学科中，甚至在整个自然科学中也是不多见的。
在发展初期，声学原是为听觉服务的。理论上，声学研究声的产生、传播和接收；应用上，声学研究如何获得悦耳的音响效果，如何避免妨碍健康和影响工作的噪声，如何提高乐器和电声仪器的音质等等。

随着科学技术的发展，人们发现声波的很多特性和作用，有的对听觉有影响，有的虽然对听觉并无影响，但对科学研究和生产技术却很重要，例如，利用声的传播特性来研究媒质的微观结构，利用声的作用来促进化学反应等等。因此，在近代声学中，一方面为听觉服务的研究和应用得到了进一步的发展，另一方面也开展了许多有关物理、化学、工程技术方面的研究和应用。声的概念不再局限在听觉范围以内，声振动和声波有更广泛的含义，几乎就是机械振动和机械波的同义词了。

研究内容主要是研究声音的产生、传播和接收，及其对人体产生的生理、心理效应；研究改善和控制声环境质量的技术和管理措施。

噪声控制声是一种波动现象，它在传播过程中，遇到障碍物会产生反射和衍射现象，在不均匀的媒质中或由一种媒质进入另一种媒质时，也会发生折射和透射现象。声波在媒质中传播，由于媒质的吸收作用等，会随传播距离增加而衰减。对于声的这些认识，是改善和控制声环境的理论基础。

在噪声控制中，首先是降低噪声源的辐射。工业、交通运输业可选用低噪声的生产设备和生产工艺，或是改变噪声源的运动方式（如用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动，用减少涡流、降低流速等措施降低液体和气体声源辐射）。其次是控制噪声的传播,改变声源已经发出的噪声的传播途径,如采用吸声降噪、隔声等措施。再次是采取防护措施，如处在噪声环境中的工人可戴耳塞、耳罩或头盔等护耳器。
噪声控制在技术上虽然已经相当成熟，但是由于现代工业、交通运输业规模很大，要采取噪声控制的企业和场所为数甚多，因此在处理噪声问题时，须要综合权衡技术、经济、效果等问题。

音质设计剧场、电影院、音乐厅、会议厅等建筑物，是人群聚集进行文化娱乐和社会活动的场所。这些建筑物中的音质问题，既同混响时间有关，也同所谓“声场扩散”有关。音质控制一方面要加强声音传播途径中有效的声反射，使声能量在建筑物内均匀分布和扩散，以保证接收者所收听的直达声有适当的响度；另一方面要采用各种吸声材料或吸声结构，消除建筑物内的不利的声反射、声能集中等现象，并控制混响时间。1此外还要降低内部和外部的噪声干扰。

噪声的影响频率为 20～20000Hz的声波，传入人耳可引起听觉，称为可听声。人需要有一定响度的声音。但是噪声会干扰睡眠，造成神经紧张和心情烦恼；会影响语言清晰度，干扰人的社会活动；强噪声还会影响人体健康，引起暂时性的听阈迁移,甚至造成耳聋。此外，强噪声还可能造成精密仪器、仪表失灵等。频率高于20000Hz的声波称为超声。较强的超声目前应用于清洗、钻孔、乳化等生产工艺过程中。如强度在160dB以下,对人体健康没有影响。频率低于20Hz的声波称为次声，高强的次声（100dB以上）可引起人体腔内发生共振现象,造成伤害。
噪声对人的影响同噪声的声级、频率、连续性、发出的时间有关，而且同收听者的听觉特性、心理、生理状态等因素有关。所以，研究噪声对人的影响，既要研究一般影响，也要研究各种特殊的情况，为制定噪声标准提供依据。

噪声标准有国际的、国家的和地方的；还有专业的，如工业噪声标准、机动车辆噪声标准、产品噪声发射标准等。城市、工厂、交通运输系统等的噪声控制都要以噪声标准为准绳。噪声标准要能保护多数人不受过度噪声的干扰或伤害，因而是防止和消除噪声污染的重要手段，噪声控制的技术措施必须满足它的要求。2

学科特点声音由物体（比如乐器）的振动而产生，通过空气传播到耳鼓，耳鼓也产生同率振动。声音的高低（pitch）取决于物体振动的速度。物体振动快就产生“高音”，振动慢就产生“低音”。物体每秒钟的振动速率，叫做声音的“频率”。
声音的响度（loudness）取决于振动的“振幅”。比如，用力地用琴弓拉一根小提琴弦时，这根弦就大距离地向左右两边摆动，由此产生强振动，发出一个响亮的声音；而轻轻地用琴弓拉一根弦时，这根弦仅仅小距离左右摆动，产生的振动弱而发出一个轻柔的声音。
较小的乐器产生的振动较快，较大的乐器产生的振动较慢。如双簧管的发音比它同类的大管要高。同样的道理，小提琴的发音比大提琴高；按指的发音比空弦音高；小男孩的嗓音比成年男子的嗓音高等等。制约音高的还有其他一些因素，如振动体的质量和张力。总的说，较细的小提琴弦比较粗的振动快，发音也高；一根弦的发音会随着弦轴拧紧而音升高。
不同的乐器和人声会发出各种音质（quality）不同的声音，这是因为几乎所有的振动都是复合的。如一根正在发音的小提琴弦不仅全长振动，各分段同时也在振动，根据分段各自不同的长度发音。这些分段振动发出的音不易用听觉辨别出来，然而这些音都纳入了整体音响效果。泛音列中的任何一个音（如G，D或B）的泛音的数目都是随八度连续升高而倍增。泛音的级数还可说明各泛音的频率与基音频率的比率。如大字组“G”的频率是每秒钟振动96次，高音谱表上的“B”（第五泛音）的振动次数是5*96=480，即每秒钟振动480次。

学科发展噪声控制研究受到普遍重视，对声源的发声机理、发声部位和特性，以及振动体和声场的分析和计算，无论在理论方法或实验技术方面都有重大发展，因而有力地促进了噪声控制技术的发展。
在机械振动、声场分布以及二者间耦合的理论方面，处理方法已大大丰富。经典的格林函数已普遍用于振动系统的理论分析，使许多复杂系统的计算有了可能。由于电子计算机的迅速发展，复杂的计算已不成问题。电子计算机的使用大大促进了振动系统（包括声学系统）的研究。30年代，声学工作者把量子力学的处理方法用到声场分析，形成了简正振动方式（或称简正波）理论，和傅里叶分析相似，把复杂系统的振动在空间分布和频率分布上分解为简正波，以后可分别计算其特性。这个理论现在已成为处理振动和声场问题的有力工具，在一些形状比较规则的物体或空间的分析上取得了一系列重要成果。

此外，发展了简正波分析技术，编写了简正波分析的计算程序，对一些非常复杂的物体，有时只要敲击一下,接收所产生的噪声或振动,就可以计算出其简正波。在频率较高时（物体的尺度大于其中的波长），简正波的固有频率（简正频率）比较密，为求得平均（不是恰在某个简正频率）振动情况，可用统计方法分析振动中的能量关系,因而发展了统计能量分析(SEA)。

这种方法在计算导弹和飞机中由外面传入的噪声以及一般隔声问题中显示出威力。具体计算复杂物体或系统的简正频率是比较困难的。早在 100年前瑞利就提出近似方法(使最大动能等于最大位能，因而算出振动基频的方法)，进一步发展这个概念就创造出有限元方法。这种方法是在物体上选取若干“节点”，根据节点间的质量、弹性关系写出相应的方程式，因此可以把复杂物体的问题简化为质点系统的问题，用计算机可求出其振动频率。用这个方法所得结果是近似的，但所取单元数越多，近似的程度越好。

在某些情况下，还可以采用边界元方法,只在表面上取节点，能大大减少元数和计算量。此外，能量流技术在计算和降低机器噪声方面是新发展的有力手段。
学者们对噪声的时间函数作了大量研究，创造了新的手段。多数噪声是无规噪声，不少噪声是由简正波组成的，但在高频率，简正波很多，或声源不只一个，声场也是接近无规噪声。对噪声的研究推动了数学家对概率论、统计学、随机过程等的研究，而这些研究又促进了对无规噪声的研究。最早是对周期性时间函数的傅里叶分析，后来发展到对非周期性函数的傅里叶积分，以处理连续谱。

用傅里叶积分由时间函数求频谱函数或由频谱函数求时间函数的傅里叶变换，即使使用电子计算机，计算量还是非常大，因而进展缓慢。利用三角函数的特性可以设计出计算方法，使计算量和计算时间减小到几十分之一、几百分之一，从而发展了快速傅里叶变换(FFT)。现在已有了FFT计算机程序（软件）和联接好的专用设备（硬件），称为实时分析仪。这种设备虽然不一定是随着信号输入，当时就得到频谱，但是速度很快。衡量噪声的前后联系用自相关系数，求得两个噪声间的联系用互相关系数，用这个概念可分辨噪声源。在相关系数的基础上还可以求得相干系数。这些不仅使人更快地认识噪声源的性质，还可以完成很多过去不可能进行的测量工作。FFT和相关系数有单独的或统一的设备。在测量手段方面最新发展是强度测量。

在使用现场，任何噪声源的周围都不是空无一物，所发噪声在墙壁、物体间作多次反射，仅作声压测量是不能反映声能的传播的。3用声强测量可以直接求得声源发出的总声功率及其各部分的发声情况,还可以测得某一部分或墙壁反射声音，透过声音等的具体情况和性质，这都是过去作不到的。以上这些发展方兴未艾，虽然还没有充分发挥作用，但已取得很显著的实际效果。
在气流噪声的研究中弄清了噪声与压力、喷口等的关系，从而使降低气流噪声成为可能。在撞击噪声的研究中，求得加速噪声、自振噪声等的特性及其在总噪声中的地位，从而使降低冲床、压力机、印刷机、打字机等的噪声成为可能。在发动机噪声的研究中，发现噪声与发动机重量的关系，从而使降低发动机的噪声成为可能。用传统方法控制噪声也有很大发展，取得一定的效果。在建筑音质上，也有很大发展，不仅对扩散问题有更深入的理解，而且音质与建筑艺术也已逐渐结合起来。
在降低现有噪声的手段方面，空心加气混凝土砌块在国外已广泛使用，在中国发展的微穿孔板在消声管道中也已逐渐推广，在厅堂建筑中也开始使用。最近受到注意的是有源降噪的技术。这种技术虽然是50年代的产物，但过去一直未能充分发展。现在由于电子计算技术的日趋成熟，解决一些技术问题已无困难，所以又受到比较广泛的注意。在英国，一个大型加压站的噪声，由于加了一个反声（大小相近,相位相反的声音）系统,而降低11dB，改善了周围环境。不过现在注意较多的还是小系统，在头盔内使用有源降声可把噪声降低15～20dB，而所需费用不高，这方面还正在发展。
控制噪声污染已受到国际和一些国家的注意。国际标准化组织已接受A分贝为评价噪声的标准，并规定90dB为保护人体健康和听力的最高限，这个标准已为世界各国普遍接受。中国已在《工业企业噪声卫生标准》中正式加以肯定。为了控制城市噪声，城市噪声分区办法已逐渐推行。中国把城市分为六种区，以保证城市居民的安宁。在各种产品的噪声控制方面，各国除了对一般最高噪声采取限制措施外并要求生产者在铭牌上标明噪声指标，以鼓励生产者在降低产品噪声工作中的主动性。此外，国家和地方环境保护管理部门的督促检查，以及环境声学知识的普及等，也都是对普遍改善声环境工作的重大措施。
改善声环境要求加强基础研究、技术措施和组织管理。在采取措施时，重点应放在声源上，但在很多情况下声源改变较为困难甚至不可能，要更多注意到传输通道和接受者，此外，还要注意经济、技术和要求（或标准）问题，有时还要注意建筑艺术和设计艺术问题。