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声学与四个现代化

时间:2022-11-03 12:00:10 来源:网友投稿

中国科学院物理研究所张家騄

声音对于我们每个人都是十分熟悉的。因为我们每个人从呱呱坠地时起,便投入了一个充满声音的世界。人们不仅能收听外界的声音,借以对本身的行动作出有利的判断,人们还常常主动地产生一些声音,来满足某些需要。且不说,人们说话、唱歌或演奏乐器这些生活中必不可少的活动。当你用手拍打西瓜,以便挑一个好的;从碰撞两件磁器发出的传脆的声音中,来判断有没有裂纹……等等,无不是在与声学打交边了。至于收音机是否好听,打电话怎样更汽楚,也都存在着声学问题。可以毫不夸张地说,我们每个人都自觉或不自觉地加入了“业余”声学爱好者的行列。

声学对于我们每个人又都有些陌生。因为声学的研究领域,已经远远地超出了我们在日常生活中迁到的,或者人耳所能听到的声音这个范围。声学是研究各种物质中机械波的产生、传怖和接收的科学。现代声学研究的频率范围是:

可以看到,我们人耳所能听到的声音,只是声波当中的一小部分。因此可以说,我们对客观世界里的许多声音都是“充耳不闻”的。低于20赫的叫做次声。火山炒发、地震、波浪击岸、风暴以及大气层中的核炒炸、火箭发射等,都会产生次声,次声虽然人耳听不见,但是高强度的次声作用于人体时,会使人产生头晕、恶心、呕吐等症状,有的人晕船,就可能是次声引起的。次声一个突出的特点是波长长,能够在大气中远距离传怖。次声学已成为现代声学中的一门新的分支学科。高于20,000赫的声波,叫做超声波。超声的好处是波长外,可以分辨很小的东西,它的广泛应用人们已经比较熟悉了。比超声频率再高的叫特超声,它的波长更短,有的已经和原子的尺寸相近了。用特超声可以研究声和电子、原子的互相作用,以及物质在接近绝对零度(-273C)时的特性。

由于声波能穿透许多电磁波不能穿透的物质,同时它的波长可以大到几十公里小到原子的异级,所以利用声波不仅能从宏观上而且也可以从微观上研究物质的结构。现在研究声波在物质中的传鈽,已成了探索物质性质的三大技术(声学技术、电磁技术和粒子轰击物质的方法)之一。声学技术与国民经济、国防迫设、文教卫生和环圳保护等方面有着密切的关系。

(一)

在工农业生产的许多部门,都与声学有关系。当然,首先容汤想到的就是电话通讯和广怖了。现在人们不仅可以在地球上任何两点,而且在地球与宇宙飛船之间进行电话通讯,就象对百交谈一样。一首美妙的乐曲,可以立即传遍全球。这都要借一些把声音变成电波和把电波变成声波的一些声学器件。比如我们常见的传声器(在电话上使用的传声田叫送话器)、扬声器、耳机(电话上使用的也称受话器)等。

超声检测也是大家所熟知的。利用声波在物体中传鈽,当迁到密度发生突然变化时(如裂纹、气孔等),就会发出反射这种性质,从透射波和反射波的比较来测出物体的伤痕。它可以无损坏地探测材料内部的缺陷,这对于检查一些大型钢管、铸件等,都要比用其它方法优越。这种仪器可以做得小巧,用它来检查火车车轴、轮箍等,就可以使检车员不必用小铘头敲打了。在修水库时,要求拦河坝要筑在基岩上。地基是否打到了基岩,也可以利用声波进行探测。这样做既方便又可倍。我国自行设计和生产的超声探伤仪,性能良好,已得到了广泛的应用。

用声学方法进行许多测男,有时可以收到其它方法得不到的效果。利用声波在气、液、固三态媒质中的传鈽速度与温度有关的特性,可以做成声学温度计。通过测男声波的传鈽速度来得到被测物质的温度。在高温和高压气体,如汽轮机进气、核火箭排气和汽缸中燃烧气体等高达2,000C左右的温度测舅,声学温度计贝有反应迅速的特点。又由于声学温度计可进行不接触被测物的测身,因此对熔融液,如火红的钢水、熔融的玻功,测异几百度到两千度左右的温度。声学温度计不但可以测男高达17,000C的温度,它还可以测男接近于绝对零度的低温。

在化工和石油化工的生产流程中,在水力、水文测异中,在海峡水流流速、大气的风速以及在医学的血液流异测另中,都可以使用声学流舅计来测舅流体的流异。它的工作原理是,利用声波传鈽的方向在与流体流动的方向相同时,总的传怖速度为声速与流速之和,在声波传拣与流体流动的方向相反时,总的速度为声速与流速之差。只要测出声波顺流与逆流时传鈽速度之差,就可以求出流速。有了流速也就可求得流男了。由于声学测男计可以不接触被测流体,因而不改变流动状态,流异计本身也不受流体的物理和化学性质的形响。声学流量计可进行连续的自动测男。此外,利用声学方法测务流体粘度、液百位置等也都很方便。

利用声波的能男还可以进行加工处理。比如,超声钻孔(可钻小孔)、超声焊接(焊接铝材)、超声泠洗(可洗细小的钟表零件)、超声乳化(向重油掺水,用超声使它乳化)、超声缝纫(缝合的确良)等等。超声对蓄电池进行处理可以提高蓄电池容舅;超声处理也可改善粉末冶金的质男。利用超声对小麦种子进行处理,可以提早发芽,缩处生长期,有利于无霜期短的地区得到好收成。有人对西红柿的种子做了超声处理,也证明可以提高产易。这些成果要进行大百积推广,还要作一系列技术上的努力。

固体材料和结构在机械变形时会释放出声能来,这称之为声发射。利用它可以作为非破坏性检测的工具。最近还有人发现,飞机机翌的蜂窝结构腐蚀时,也会发出声音来。利用它对飞机进行检查就不必大拆大解了。

(二)

在国防适设中,更是离不开声学。在烟波浩渺的大海里,利用声波进行探测、侦文是最有效的手段。利用水声学的方法进行防汗反汗(汗水艇)几乎是唯一的方法。在空气中用以监视敌机的雷达,到了海里便没有用武之地了。因为,无线电波在水里传不远,可是声波在水中却可以传得很远。所以声纳(水声学的仪器,在水里发射、接收声波的换能器)系统才成了真正的“水下雷达”。在海岸上有固定的由很多声纳组成的阵(象雷达的天线一样),在海中有由舰船拖曳的长长的声纳线列阵,在空中可以由反汗飞机投下一系列声纳,这样组成一个对海洋的立体监视网,从海、陆、空布满了对水下汗艇的“眼眨”,以防敌人的汗艇偷越海防。现在两霸在争夺世界的局百下,以极大的注忌力放在争夺海洋上。因此,我们决不能等闲视之。伟大领袖毛主席和敬爱的周总理,生前很重视发已我国的水声事业。因而,在大跃进的年代里,我国得以迫立并逐步扩大了一支水声学的科学研究队伍,并取得了可喜的成就。

利用声学方法,可以探测和显示水下的物体。其分辨能力,足以看传一条电缆或一支手枪。因而,也常常用这种方法探测海中的水雷,並可引导一个自动装盟把水雷炸掉。绘制海底地兒图的地兒仪,也是利用声纳侧扫的办法来进行工作的。

此外,把声纳系统布置在水下,构成水下航标,引导船只进码头。海中钻好的油井,如果想把它暂时封存,而又要以后在这茫茫大海中找到它,最好的办法是在油井上装一个水声应苔器。以后寻找油井时,人们发出搜索佼号,它就会发出回苔位号告诉你油井的位置。至于利用声学方法来探文鱼群,那已经是大家早就知道的了。

在硝烟弥漫的战火中,在坦克的轧轧作响声中,在歼击机的轰鸣声中,如何保证指战员的正常工作和通讯联系,也是很重要的声学问题。首先要设计一个隔声和吸声处理较好的环境,以降低噪声的形响。其次,还要设计抗噪声的通讯设备和方法,以保证准确的、不间断的联络。

在国内和国际上阶级斗争尖锐复杂的传况下,窃听和反窃听是经常进行的。为使我们党、政、军的机密,在电话通讯中不被窃取,就要研制各种保密通讯设备。一种把人的讲话直接变成数另较少的电码的装置一声码凹,便是主要为解决这一问题而发巳的。它根据语言特性,把人的讲话在发送端拆成零件来加以传送,在接收端再重新装配起来。这样,在传送过程中,即使被人偷听了,他也听不终。目前我国已能自行设计和生产这种设备。这种设备还可以用于邦助聋人助听和使汗水员通话更传楚。

由于次声有传鈽距离远的特点,人们不仅可以利用次声来探测气象、地震等自然活动,还可以用来侦文大气中的核朴炸,比较准确地定出炒炸点和炒炸当男。

(三)

在文教卫生事业中,越来越多的声学设备参加了工作。古代的音乐艺术杰作,都只能皓口耳相传,而今天有了录音机,则可以把一首激动人心的乐曲,忠实地加以记录,並几乎是不受限制地在广泛的范围里過真地重放出来。电声设备不但已成为形剧院用以放声和改善音质的有力工具,而且已遍及各机关、工厂、学校,为各种公共活动提供方便。

一个剧院,一个礼堂,迫筑师不考虑声学设计,是不会得到良好的音质效果的。在美国有一个音乐厅,由于声学家设计不周,而不得不重新改迫。在一些大食坐和某些声学处理不好的礼坐里开大会,听不传讲话的内容这也是常见的。在设计和处理得好的大教室里讲课,就会舌到比较省力。

尽管用手敲打胸坐和用听诊田收听一些脏器的声音,就已经开始把声学用于诊断了。而今天声学为医疗所能提供的手段就更加广泛而有效了。在我国的许多医院里都可以见到超声医疗的部门。利用超声对人身内脏田官进行检查,所得到的效果有些是X光达不到的,而且更重要的是它对人体无害。现在用超声电扫描的办法,已经能显示出心脏的剖百。人們还可能借助超声全息显示,透视出胎儿的立体图象,或眼球异物的确切位置。通过声波能另产生的机械效应、热效应、化学效应和生物效应,也可以达到对某些疾扩的治疗作用。比如,治疗风湿、慢性舁炎、骨折等。近来,用超声治疗脑血栓,取得了良好效果,这是我国医务工作者的创新。超声钻牙和超声手术刀,都与激光的作用有类似之处。利用声学方法对疾广进行诊断和治疗,已经形成了一门新学科,称之为超声医学。

在教学中,电声设备的应用正在与日俱增。电化教育起的作用越来越大。录音机用于语言教学已经是大家熟知的了。有些录音机是专为教学设计的,在功能上有许多方便之处。比如带声控开关的录音机,录音机放出老师的标准发音,每当学生跟着朗读时,机四停止,朗读完了,再放出下一个发音。有的是利用双通边录音机,一通边是老师的示范发音,另一通边由学生录制自己的发音,两者便于对比,进行正音练习。有许多电化教学设备,是根据教学法设计的。如配合“程序教学”,设计和生产了各种邦助学生学习,便于老师检查教学效果,以及统计学生成绩的设备。当然,这些西方国家设计的教学设备,我们不能完全生搬硬套。但是,大舅地使用录音机、放映机和电子计赫机,邦助老师教学,是电化教育重要发巳方向。特别值得一提的是,一些为重听儿童教学用的设备。现在,即使在一些比较发达的资本主义国家,也不是每个有听力缺陷的儿童都能得到助听四的。但在学校里可以采用一些公共设备来为听力很差的儿童的教学提供方便。一般这种设备放在教室里,老师专有一个控制台,可放唱片、录音带和口语讲授。学生配有耳机,並可根据个人听力怜况加以调正。实践表明,通过不断地训练,听力不但可以保持,而且有可能得到改善。反之,即使有残存听力,如不给予训练,也可能丧失语言能力。

(四)

上百谈到了各种声音可以给予我们很多好处。但是,事物总是一分为二的。有些声音也可能给人们带来危害。这种人们不需要的声音,称之为噪声。有危害的噪声多半是工业生产的付产品,通常称之为噪声污染。美、苏两个超级大国,从六十年到七十年的十年间,环讲噪声增高了10分贝(能量大了10倍)。噪声的来沅主要有三个方面:一、社会环讲,二、工业生产,三、交通运轧。

人们的社会活动免不了有时互相于扰。上夜班的工人白天需要休息,而他也许就住在某些噪声很大的工厂附近。学校在上课,有些单位却栏放高音喇叭。汽车路过医院还大声鸣笛等等。

各种机器运转必不可免地会发出各种噪声。纺织机就很响,金屠结构的铆接更厉害。锅炉的排气,风动工具、气锤、打夯机等都会发出很强的噪声。

许多交通工具,汽车、火车,尤其是地下铁边中都很吵。最严重的莫过于大型喷气飞机和火箭了。一架波音707客机大约可产生100千瓦或136马力的噪声功率。用它来开一辆卡车还绰绰有余。而一个宇宙飞船发射用的火箭,会产生一亿瓦的噪声,这就足以开动一艘航空母舰了,在30公里外还悉到很吵。

强大的噪声可以使材料和结构因声致疲劳而破坏。各种控制仪表和电子凹件也可因噪声振动而失灵。飞机作超音速飞行产生的轰声,足以使城市中古老迫筑裂缝,地百上几万平方公里范围内都能听得见。目前噪声问题已成了发巳空中运轧事业的主要障碍之一。

一般的噪声污染对人的健康也有形响。长期在噪声环井下工作,会使人听觉迟钝。强噪声还会引起人头痛、失眠、血压增高、心跳节奏改变等。特别强烈的噪声能使人耳产生疼痛的感觉,严重的会引起鼓膜破裂出血,导致永久性听力丧失。

在优越的社会主义制度下,党和国家对劳动人民无限关怀。我国不但有专业的声学工作者从事噪声控制的研究工作,在劳动保护和劳动卫生部门也从事噪声控制工作。通过对噪声沅的特性和噪声传怖路径的研究以及采取必要的个人防护措施,噪声污染问题是可以解决的。

从上百的简单介绍可以看到,声学与工业、农业、国防、文教卫生等各方面都有着比较密切的关系,也就是说,声学贝有边纸学科的特点。所以,一方面作为一个声学专业的工作人员,常常需要多方面的知识,才能更好地处理有关声学的具体问题。另一方面,不仅在物理系开巳声学教育,而且在地球物理、海洋学、生命科学、通讯工程、迫筑工程以及语言学、音乐艺术等专业也需要给予必要的声学知识。在美国设有声学专业并招收研究生的有65所大学的200个系。我国在毛主席教育路线指引下,在一些综合大学开设了声学专业,在一些工学院里开设了声学课。一支由我们党和国家亲手培养的声学工作者的队伍正在迅速地茁壮成长。在英明领袖华主席为首的党中央领导下,我国的声学研究工作必将在实现四个现代化宏伟目标的过程中,迅速地赶上并超过世界先进水平。

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