第八届全国噪声与振动控制工程学术会议大会报告
马大猷
(中国科学院声学研究所)
二十世纪将要过去,二十一世纪和第三个千年就要开始,这是一个很大的变动时期,整个世界形势将要有一个很大的变化。二十世纪基本是一个灾难的世纪,打了两次世界大战,中国几乎有一半领土被敌人占领,多少人流离失所。二十世纪下半个世纪,虽然大战很少,但冷战也是非常激烈的,灾难重重。从整个世界形势发展来看,大战是不得人心的。以后发生大战的可能性非常少,当然小战、局部战争还是不可避免。从历史上可以看出来,当初希特勒几乎要征服整个世界,在我们这里“四人帮”要把我们国家推到经济崩溃的边缘,但是这些都要过去。他们这些都不符合人民的思想,不符合人民的需要。现在形势还是很严峻的,但是,这些还是要过去。二十一世纪将是一个和平的世纪,科学的目的是提高人们的福利,改善人们的生活质量。讲生活质量,不仅是不生病,身体健康,而且在思想上不受威胁,在相互关系上比较和谐,这样才是一个健康的世界。在这里声学要起很大的作用,因为声学基本上是一个和平生活的声学。
声学的范围虽然很大,但基本上是改进人的生活环境。例如,海洋声学,海洋对人们的生活有很大的影响,海洋温度增加一度,将要使全世界的气候有很大的变化,同时在海洋里边的生命,特别是浮游生物就要有很大的发展,改进海洋里面的生物食物链,增加海洋的生产与人们的生活都很有关系。各方面例子很多,不过下边讲的范围小一些,就是直接同人有关系的噪声和噪声控制。
我们知道,噪声在90分贝以上要伤害人的听力,伤害听力是永久性的、不可恢复的,虽然很多人说他们能够治疗,但实际上是不可恢复的。即使在90分贝以下,对人也还是有很大干扰。降低噪声水平,是保护人的工作条件和生活条件一个重要的方面。在这方面我们用工程方法来控制噪声已经有了很高的成就,这次第八届全国噪声与振动控制工程学术会议,将要有很多报告,介绍这方面的成果,这里就不详细讲了。
噪声和噪声控制的研究,不仅仅是改善人们的生活环境,由于改善人们的生活环境而进一步对工业交通运输业起很大的促进作用。因为降低噪声一个最主要的办法就是降低声源的发射。要降低声源发射就要研究机器,研究交通工具,研究各种生产过程,实际上这就直接促进了生产。
这里举一些例子,例如在交通噪声方面成绩是非常大的。铁路噪声,铁路已有一百多年历史,火车在十八世纪十九世纪初已经运行了,在这么长的运行期间,直到前一些年到六十年代七十年代,一般火车速度还是比较低的,设计速度是每小时120公里。在我们国内平均速度大概只能达到50公里,这与现在快节奏的生活比起来那是太慢了。从七十年代开始,在加快火车速度方面有了很大的成绩。在八十年代欧洲十四个国家铁路局聚集起来,把现有的铁路经过比较小的改变,可以建立一个每小时200公里的火车网,这是比较现实的,不是新造铁路,不是新造火车,就是做一些改变。当然新造的也有,例如日本最早搞的新干线,现在日本新干线几乎遍于全国。在德国和法国也有高速铁路系统,从巴黎到伦敦,称为欧洲之星,时速达到300公里。现在法国在开始一项新的工作,建立时速达到360公里的铁路系统。这些都是在标准系统下边的改进。也有一些人在研究磁悬浮列车,磁悬浮的摩擦很小,所以更快,有些实验达到每小时500公里。现在德国在开始建造从汉堡到柏林的磁悬浮列车,全线长285公里,整个运行时间53分钟。看起来,平均速度也不过是300公里,因为火车运行不能一开始就用最高速度,要逐渐加速,停车时要逐渐减速,这就要有相当的距离。所以算到平均速度,要看线路的长短,如果线路短,平均速度就低。汉堡到柏林的线是不是很成功,现在还不知道,大概要过3～4年才能完成。对磁悬浮列车已经有一些人反对,建立这样一个系统,结果效果也不过是平均时速为300公里。按现在360公里时速样一个系统,除去两端加速减速差不了多少,犯不着这样费劲。因为磁悬浮列车已研究了三十年,不是刚开始,一直考虑很难实现。在英国还特别建立了一个1～2公里的试验线,进行实验表演,可以让大伙去乘坐,他们试验了十几年,现在已经停了,人们对他的新奇程度已减小了。所以有人讲磁悬浮列车如果在一定距离之内,同标准列车能达到的速度差不了多少,而磁悬浮列车需要很高的技术水平,实际上德国把航空技术都用到这上面来了,因为这是德国政府和汉沙公司办的事。有人说,只有特别喜欢高技术的人才欣赏磁悬浮列车,实际上没有多大优点,当然这是一种争执,看几年以后德国汉堡至柏林线建成后运行怎么样再说。火车能运行的快,主要是降低他的振动和噪声水平。火车运行时,若振动大,可以把整个车辆和路轨破坏掉,这是一个安全问题,当然对人的舒适感问题关系也很大。我国新建的京九线,它是按时速160公里设计的,不知是否达到了设计速度,据一位参加过试验的人员介绍说,京九路快速运行时,感到有些晃,晃就是振动问题,看来京九路还需要解决振动问题。
飞机的变化就更大了,飞机从四十年代未开始有喷气客机,客机不太大,速度也不太高。五十年代我从北京到莫斯科飞了五天,受气候影响,飞一段距离,前面天气不好只得停下来,飞机飞的不高,速度也不快,受气候影响大。现在不一样了,从北京到丹麦、瑞典早上起飞下午就到了,这个变化是很大的。在这些年来,飞机噪声每十年声压级降低十个分贝,声压级降低了,人在飞机里面不受噪声影响,这样就可以做更大、更快的飞机。当然飞机怎么样发展也还是一个问题。英国和法国制造的超声速飞机协和号,现在已经有四十年了,但他只能在大西洋上空飞行,不能在陆地上空飞行,因为这种飞机产生的噪声实际上是冲击波,冲击波有破坏性,他可以把地面上一些历史建筑冲毁,冲击波问题还没有完全解决,因此协和号只能在海洋上空飞行。但是人们对超声速客机兴趣还是存在的。由于超声速飞机快,假如我想到澳大利亚办些事,上午去,下午就可回到家,这是非常诱人的,如果解决了冲击波的问题,这方面还会有很大的发展,特别是商业活动和国际交往目前这个问题还在那儿搁置着,有待继续研究。
刚才说的火车的发展对于飞机也是个威协。火车的速度加快了,比如距离比较短,飞机的优点就不太突出了。例如从北京乘飞机来青岛,飞机只用了一个小时,但去买票,提前一小时到机场,再从机场到市区,前后用3～5个小时,现在开汽车从北京到青岛用不了8个小时,汽车的优点已经显示出来了,假如有高速铁路,800公里5个小时就可以到了。铁路有什么好处呢,他可以从城市中间出发到城市中间,没有从机场到城市中间的几十公里的麻烦,所以方便了许多。飞机的发展还是在长距离上有优点。
汽车的发展在短距离上更好。汽车是十九世纪发明的,发明之后不大容易发展,直到1914,1915年,美国福特公司把大规模生产技术用到汽车上,大批量生产,一个人加工一道工序,装配一个零件,在生产线上最后生产出一辆汽车,这样解决了大量生产问题。
刚有汽车的时候,没有多少人敢坐,当然也很贵,有钱人为了显示他的身份,买一辆汽车,一出去,一家人就要吵架了,因为汽车行驶时,后面几乎要跳,不是小的振动,几乎要跳起来,一家人拼命抢前面的位置。同时还影响到左邻右舍,整个街道都要吵起来了。所以芝加哥市议会通过一个议案,谁家要开汽车,必须在一个星期前公布,要不然突然来个很强的汽车噪声把人都吓坏了。从那么一个情况发展到现在,这个发展也是很大的。
从以上几个例子可以看出来,噪声和振动是工业发展的一个关键,假如噪声和振动问题不能解决,机器就不能加大,速度就不能加快,我们常说的更多更快更大关键在于噪声控制。但是开展噪声控制工作有点困难,在世界各国都有这样的情况。因为一般噪声是不会死人的,不像空气污染,弄得不好,整个城市要流感、咳嗽、学生不能上学去了。假如有水污染,就要中毒,这是很难治疗的。可是噪声不是这样,您听到90分贝以上的声音是可能的,有时觉得还可以忍受,就不去严格的控制了。噪声控制的问题,关键在法律的执行,在我国控制噪声的国家法令是有的,有法律规定的,但是很难全面执行,影响到这方面的工作。在噪声界,好像最主要的工作是呼吁环保部门、司法部门严格执行环境噪声污染防治法。这样,不仅是要解决人们生活环境、工作环境的问题,而且是促进噪声控制技术发展的问题。
噪声控制的工程方法几乎是能够解决任何噪声问题,即任何噪声问题都可以用工程方法来解决,关键是怎么样充分发挥各方面的作用。当然有些特殊要求的,专门去研究声源,研究声源是对的,对新的、更大的、更快的机器降低其噪声,这些都是噪声控制的内容。噪声控制除了工程方法之外,最近有源噪声控制技术也有了很大的发展。有源噪声控制就是发一个同现有噪声相位完全相反的声音,这样可以抵销现有的噪声,这样的工作,在很多地方是唯一的可能。
如前所说的飞机噪声,现在创记录的是欧洲生产的空中客车A320,它的噪声是最低的,在机舱里边声压级达到85～86分贝,是低频率声音,虽然不是太可怕,但还是不太舒服。
顺便说一下,噪声控制的目的是降低噪声级,降低到符合人们生活的要求;另一方面,噪声的质量也是必须受到重视的。同样一个声音,他来源不同,性质不同,即使强度差不多,听起来的感觉就是不一样。例如,听空调器的声音,觉得60分贝还可以,但假如拿一块钢板用刀子刮掉其锈迹,同样是60分贝,但听起来要讨厌的多。所以,噪声不光是他的声压级的问题,他的声音的质量更是应该注意的问题。人们希望得到安静,非常刺耳的声音是不适宜的,因此,噪声控制质量问题,现在受到了普遍的关注。
建筑声学问题,建筑声学同噪声控制相反。噪声控制是把难听的声音让他减小,建筑声学是把好听的声音让他更好听,这两方面实际上都牵涉到一个心理声学的问题。一个声音难不难听是一个心理声学的问题。要设计一个音质良好的音乐厅、歌剧院,为人们欣赏音乐,这时需要考虑声音的美感,建筑学上要求也很高。因为音乐厅或歌剧院是一个艺术的创造,人们是去欣赏艺术的。因此在建筑上艺术上应达到高的水平,在音质方面也要达到最高水平。建造一个使世人满意的音乐厅或歌剧院,需要第一流的建筑师和第一流的声学家共同努力,才能得到最好的结果。
最近,白瑞奈克写了一本书,叫做《音乐厅和歌剧院》,他调查了66个音乐厅和10个歌剧院,这里边得到音乐家满意的,就是音乐家没有提出缺点的只有3个音乐厅,这3个音乐厅是阿姆斯特丹音乐厅、波士顿音乐厅和维也纳音乐厅。这3个音乐厅都是1990年或1990年之前造的。在那个时候,建筑师可能还没有太严格太高的要求,这3个音乐厅都是根据声学家的意见建起来的,好像就是赛宾做完实验,得到混响时间概念做出来的设计。在以后建筑上考虑的问题多了、复杂了,就不完全尊重声学家的意见了,还有的建筑师和声学家吵起架来,所以很多音乐厅音质不好。那76个一般认为不错的音乐厅或歌剧院,只有3个得到了全票。76个厅没有一个是中国的,当然也许外国人不知道,我们也没有进行严格的公平的评价,没有得到公认,在这方面还有许多工作可做。
另外,再讲讲语言识别的问题。语言识别从二十年代开始,二十年代开始有电话,电话怎么样才算好,人们并不知道。贝尔发明了电话,声音如何能够听得懂,一直到三十年代科学家们开展了语言的频谱分析工作。人讲话时信息量不大,讲话无非是靠声道的变化,其中包括声带松紧,舌的高低,唇的张合,齿的松紧,鼻腔的开关等,每种变化都是很慢,每秒不上十次,一共也不到一百赫,可是传送变化一个电话,只达到可懂的程度却需要频带三千或四千赫,大大超过信息量的要求。几十年来,发展了大量语言波形的分析方法,现在所有信号处理方法基本都是从语言信号处理得来的。也提出了不少根据分析结果进行识别的方法,五十年代有一次突破,频谱分析后用电阻网络识别。现在有了微型计算机,他的计算量很大、很快,语言识别有了可能。1997年以来,美国商业机器公司IBM和Dragon系统制成了商品,推向市场。可在一般奔腾IIPC平台上使用,要求计算机速度至少150～200MHz,内存至少32M,市场售价在一、二百美元之间,IBM的VAVDAE现在达到能听能说的程度,其发声部分是我国创造,这方面的发展非常快。
在二十一世纪,语言理解系统将大大发展,在此基础上人们一直幻想的语言打字机,口语翻译机,文字翻译机,读书机,读外文机(读出中文),翻译电话机,输入乐谱的音乐演奏机,残疾人专用的通信机,口语操作的机器等,以及“芝麻开门”都将成为现实。人们的政治生活、社会生活和文化生活将完全改观,前途是无限的,声学服务人类生活质量的道路将更加广阔。
(马大猷院士报告由吕玉恒高工根据录音整理,并经马先生亲自审定)