科技|这项完全国产的声学系统，是深潜器们完成任务的“定海神针”
声音由振动产生 ， 以波动的方式向周围传播 。 声学技术甚至在石油勘探行业中运用广泛 ， 帮助我们确定石油所在的位置 。 声纳则是海底世界的“顺风耳” ， 让我国自主制造的深海载人潜水器在漆黑的深海里行动自如 。 什么是声音？深潜器上都有哪些声学设备？声学技术又有哪些应用场景？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院声学研究所研究员张志博演讲实录：
说到声音 ， 大家一定并不陌生 。
声音在我们身边无处不在 ， 与我们的生活息息相关 ， 但是真正说到有关声音的科学知识 ， 恐怕不是每位同学都能了如指掌吧 。
今天就请跟随我一起重新认识一下声音 ， 这位我们身边既熟悉又陌生的朋友 ， 了解一下与声音有关的科技 ， 同时我们也会去认识一下自然界那些应用声音的高手们 。
初识声音
我们首先来看一下声音的定义 ， 物理学上 ， 声音是由物体振动产生 ， 通过介质传播 ， 并能被人或动物的听觉器官所感知的波动现象 。
短短的一句话 ， 把声音的产生、传播及感知表述得清清楚楚 。
声音是由振动产生的 ， 我想大多数同学是清楚的 ， 但是你们是否真正注意到过这种振动呢？
振动的音叉在水的表面会形成水花 ， 在慢镜头下 ， 各种乐器翩翩起舞 ， 龙洗盆的双耳被摩擦时 ， 其内部的水花会激荡起来 ， 同时产生奇妙的声响 。
“看着”这些声音 ， 是不是感觉很奇妙？
声音是以波动的方式向周围传播的 ， 这种传播离不开介质 ， 介质可以是固体、液体或气体 。
如果周围没有介质 ， 声音还能传播吗？
眼见为实 ， 我们将闹钟放入一个密闭的容器中 ， 视频左上角是一个压力表 ， 它表示这个密闭容器中的气体的压力 。
我们将这个容器中的气体逐渐抽干 ， 大家会注意到 ， 压力表的值也逐渐在降低 。
这证明空气越来越稀薄了 ， 当这个压力值接近于最低点时 ， 这里边就几乎接近于真空了 。
此时大家注意听 ， 是不是听不到声音了？
这时我们就会发现 ， 我们能看到闹钟的钟锤在敲击 ， 却听不到声音 ， 是不是很有意思的现象呢？
所以 ， 当没有介质时 ， 我们就听不到声音的传播了 。
这个小实验过后 ， 我们再来说一说声音的感知 。 说到声音的感知 ， 大家第一印象就是耳朵 ， 没错 ， 就连我们古汉字中的声字都有耳字旁 。
但是我们平时经常说的耳朵 ， 其实只是我们听觉系统的一个部分 ， 那就是外耳 。 完整的听觉系统还包括内耳、中耳 。
整个听觉系统使我们将声音从物理振动转化成大脑中的信息 ， 最终我们就能分辨出来这是一个人在说话 ， 还是一段美妙的音乐了 。
我们为什么能听到丰富多彩、各不相同的声音呢？
这就要从声音的三个特性说起了 ， 它包括声音的响度、音调和音色 。
这三个特性如果组合好了 ， 就可能是一段美妙的音乐 ， 如果组合不好 ， 那可能是一段扰人的噪声 。
科学上根据声音的音调 ， 也就是频率不同 ， 将声音分成三个部分 。
频率低于20赫兹的声音 ， 我们称之为次声 ， 频率高于20000赫兹的声音 ， 我们称之为超声 。
这两部分声音 ， 人类是听不见的 ， 人类能听得见的是从20赫兹到20000赫兹之间的这部分 ， 叫做可听声 。
科技之声
我们简要地了解了一下 ， 有关声音的知识 ， 那么声音到底给人类 ， 带来哪些好处呢？接下来我们一起去了解一下有关声音的科技 。
同学们要做的是学习已知的知识 ， 而科学家们要做的是探索那些新的知识 ， 并将科学知识转化成科学成果 ， 造福人类的生活 。
同学们如果注意观察 ， 会发现在我们身边有很多产品与声音的技术有关 。
例如超声波牙刷 ， 它就利用了超声清洗的特性 ， 可以将牙齿清洗得更干净 ， 就连那些藏污纳垢的死角也难以逃脱 。
同样的原理 ， 超声清洗仪也是利用超声波的振动 ， 将物体表面的污垢清除干净 ， 既高效又彻底 。
在医院里 ， B超仪已经是非常普遍的医疗用具了 ， 从普通的身体检查到孕妇的胎儿检查 ， 都离不开B超仪 。
B超仪则是利用了超声的穿透力 ， 在不损伤皮肤和肌肉的情况下 ， 就能够穿透身体 ， “照射”在内脏器官上 ， 同时形成反射波 。
我们处理分析反射波 ， 并形成图像 ， 就可以了解身体内部的情况 。
现在的汽车上 ， 倒车雷达已经是非常常见的部件 ， 倒车雷达虽然名字里有“雷达”两个字 ， 但它用的并不是无线电波 ， 它用的其实也是超声波 。
它正是利用超声波探测物体 ， 从而发现障碍物的物质和距离 ， 为我们的行驶和停车提供安全保障 。
应该说声学科技在我们身边覆盖面很广 ， 应用非常广泛 ， 以上都是十分常见的应用 。 接下来我再给大家介绍几个不那么常见的 。
广场舞扰民的问题经常见诸报端 ， 引起热议 ， 现在我们可以将可听声调制在超声上 ， 使声音具有更强的指向性 。
说得通俗一点 ， 就是使声音让更少部分和更小范围的人听到 ， 其他范围的人听不到 。
有了指向性扬声器 ， 特定区域里的人就可以听着音乐载歌载舞 ， 而其它区域里的人就可以不受这些音乐的干扰 ， 享受安静的生活了 。
博物馆、图书馆等需要安静场合的场所 ， 也是指向性扬声器的用武之地 。
在高铁的车厢里 ， 其实应用了很多降噪技术 ， 但是乘客们还是希望能够享受更加私密安静的环境 。
于是 ， 科研人员将主动降噪技术应用于座椅的头靠上 ， 通过采集设备采集到周围噪声的信号 ， 然后生成与噪声振动相反的声波 ， 从而抵消噪声的影响 ， 这样就真正给乘客一个安静私密的空间了 。
此外 ， 当同学们置身于华丽的音乐厅时 ， 是不是也会有疑问 ， 这里有没有与声音相关的科学知识呢？
不但有 ， 而且很多 。
建筑声学是一个非常专业的科学领域 ， 小到墙上贴的吸声材料 ， 大到整个建筑物的结构设计 ， 都与各种声学设计息息相关 。
只有考虑到各种声学因素 ， 才能使人们在音乐厅里听音乐时达到最好的效果 ， 如此一来才能给你一段真正的“绕梁三日”的音乐之旅 。
也许你想不到 ， 在石油勘探行业里 ， 声学技术的应用也十分广泛 。
科学家们利用人造的地震波对地层进行探测 ， 通过分析处理反射波 ， 知道地层结构 ， 从而确定哪里可能有石油 ， 哪里可能有矿产 。
当然 ， 声音除了可以检查人类的身体外 ， 还可以检查物体的“身体” ， 因此 ， 超声探伤就应运而生了 。
尤其对那些金属物体和重要的零部件 ， 它们不便于拆解或破坏 ， 所以通过声音的手段对其内部进行探查 ， 利用超声的穿透力发现这些物体内部是否有裂缝 ， 是否有损伤 。
例如对于铁轨的超声探伤 ， 就可以保证列车行驶得更加安全 ， 对于重要的零部件进行超声探伤 ， 就保证了机器运转得更加安全可靠 。
声音在水下的应用也非常重要 ， 声纳就是水下设备的“千里眼”和“顺风耳” 。
2020年11月10日 ， 我国自主制造的深海载人潜水器“奋斗者”号 ， 成功坐底世界最深处的马里亚纳海沟 ， 最深的深度达到了10909米 。
这一壮举让我们举国兴奋 ， 从“蛟龙”号到“深海勇士”号 ， 一直到现在的“奋斗者”号 ， 它们是如何在漆黑一片、暗礁林立的深海中行动自如的呢？
它们依靠的正是各种声纳系统 。
假如在一个伸手不见五指的漆黑夜晚 ， 你驾驶着一辆汽车 ， 行驶在茫茫的荒野中 ， 你最想知道什么呢？
我在哪里 ， 我该怎么走 ， 我如何与家人联系 。
深海的潜水器们也要回答这几个问题 ， 它们正是通过先进的水下声学系统 ， 完成了深海中的导航、定位和通信 。
在海水中为什么要用声音呢？
海水是电的良导体 ， 电磁波在水下的衰减非常厉害 ， 因此在水下利用无线电是不大现实的 。
而光学手段在水下又变成了“近视眼” ， 它的观察范围也不过几十米 ， 因此 ， 在深海中进行远距离的通信、定位和导航 ， 声学手段就成了最佳的方式 。
在这些深潜器上 ， 到底都有哪些声学设备呢？
这是“蛟龙”号上的声学系统的分布图 ， “奋斗者”号上也安装了大致这几类声学系统 。
有跟水面进行通信的水声通信机 ， 有进行海底地形地貌探测的高分辨率测深测扫声纳 ， 有用来探测前方目标物的防止发生碰撞的成像声纳 。
有用来测量潜水器对底速度的多普勒声学测速仪 ， 还有用来测量周围物体距离的避碰声纳 ， 以及用来对整个深潜器在水下位置进行定位的超短基线定位声纳 。
水下的通信机可以将深潜器的各种参数回传至母船 ， 还可以在母船和深潜器之间建立语音通信 ， 甚至可以将深潜器采集到的图像实时传到后方 。
利用测深测扫声纳及成像声纳 ， 还可以对海底的地形地貌进行探测和成像 ， 为深潜器在深海中航行提供安全保障 。
同时 ， 这些地形地貌数据也为后面的科学研究提供了科学的数据和依据 ， 更为难能可贵的是 ， “奋斗者”号目前的声学系统实现了完全的国产化 。
如果深潜器们下到海中完成的是“大海捞针”的任务 ， 那么声学系统则是完成这项任务的“定海神针” 。
自然之声
说了这么多人类的声学科技 ， 我们再回到大自然中 ， 看一看自然界那些应用声学手段十分高超的能手吧 。
首先我们来看一看大象有什么非凡的本领 。
安哥拉下一场暴雨 ， 就会吸引150公里以外纳米比亚的大象前来饮水 ， 这是为什么呢？
暴风雨形成时 ， 会产生低频的声波信号 ， 也就是次声波 ， 而大象可以接收这类次声波 ， 于是数百公里以外的大象就寻着次声波前来饮水 。
除此之外 ， 大象甚至可以用脚踏地的方式产生一些低频的信号 ， 用这些低频信号进行远距离的通信 ， 好像人类打长途电话一样 。
蝙蝠则是利用超声波的高手 ， 蝙蝠可以发出超声波 ， 这些超声波打在物体上或猎物身上 ， 形成反射波 。
蝙蝠们分析这个反射波 ， 就可以知道猎物或者物体的位置或距离 ， 从而实现在漆黑的夜空中灵巧飞行 ， 迅猛地捕捉猎物的本领 。
在大海深处也有一位利用声学技术的高手 ， 那就是海豚 。
海豚的额头有一个特殊的部分 ， 可以产生声波 ， 这个声波发出后 ， 遇到物体形成反射波 。
海豚再利用下颚的部分接收反射波 ， 于是它就知道了对面的物体或猎物的具体位置 。
于是在茫茫的大海深处 ， 海豚就可以自由遨游 ， 敏捷地捕捉猎物了 。
除了这些动物 ， 海洋中还有一种小动物 ， 它也是利用声学的高手 。
接下来 ， 我为大家带来一段小评书 ， 来讲一讲它的故事 。
深深海底安个家 ， 枪不离身闯天涯 ， 空化气泡威力大 ， 一言不合把枪拔 。
话说这大海深处是藏龙卧虎 ， 人才济济 ， 会利用声音的高手是层出不穷 ， 今天 ， 我就给大家带来了一位小精灵——虾 。
这位同学就说了 ， 这虾我可熟悉呀 ， 齐白石笔下的虾 ， 那是栩栩如生啊 ， 这麻辣小龙虾那是美味诱人呐 。
但你们是有所不知 ， 今天我要说的可不是普通的虾 ， 这位可以称得上是虾中的怪杰 ， 江湖人送绰号：海底小枪手 。
它是谁呢？它就是枪虾 。
说枪虾怪是一点儿不假 ， 因为枪虾拥有极不对称的一只大螯和一只小螯 ， 体长5厘米左右的枪虾 ， 大螯就占了身体的近一半 。
而且这还是把天然的手枪 ， 只不过打出的不是子弹 ， 而是水弹 。
大螯快速闭合挤出水流 ， 速度高达每小时100公里左右 ， 这要是在咱北京的四环路上跑 ， 早就超速了 。
大螯还能形成一种特殊的“气泡子弹” ， 气泡崩裂瞬间 ， 能形成80千帕的高压和210分贝的声响 ， 这是个什么概念呢？
80千帕 ， 相当于是8米多高的水柱压力了 ， 210分贝 ， 就这么说吧 ， 真正的枪声也不过150分贝左右 。
【科技|这项完全国产的声学系统，是深潜器们完成任务的“定海神针”】科学家们还发现 ， 枪虾打枪时还能发光 ， 气泡子弹崩裂瞬间 ， 其内部温度可以激增至4500摄氏度左右 ， 这几乎是相当于太阳表面的温度了 。
枪虾的气泡子弹声、光、热、冲击波 ， 样样俱全 ， 要击晕那些小鱼小蟹 ， 简直是易如反掌 。
其实在枪虾的枪的背后 ， 还蕴藏了一个特殊的物理学现象 ， 就是空化现象 。
当液体中间的压力突然变化时 ， 溶于液体中间的气体就会形成一个个极其微小的低压气泡 ， 这些就是空化气泡 。
这些气泡迅速膨胀 ， 又快速塌缩 ， 直至崩裂 ， 崩裂的瞬间就能形成冲击波、声响、局部的高温高压甚至是发光现象 。
这些气泡跟我们平时说的普通气泡又有什么区别呢？让我们看一个对比实验 。
家用的鱼缸加氧机能产生又多又大的气泡 ， 而超声清洗机在超声波的持续作用下 ， 会形成很多细密微小的气泡 。
我们将相同材质的锡箔纸分别放入这两个容器中 ， 三分钟后观察 。
我们会发现鱼缸中间的锡箔纸受到大气泡的作用却毫发无损 ， 而超声清洗机中间的锡箔纸已经被这些微小的气泡打得千疮百孔 ， 体无完肤 。
其实 ， 超声清洗机中间的小气泡和枪虾的气泡子弹一样 ， 都是空化气泡 ， 所以威力惊人 。
那么空化气泡有什么作用呢？
正如上文说到的 ， 超声清洗机正是利用了空化气泡的冲击力 ， 将物体表面的污垢除掉 。
但它也有不利的一面 ， 例如螺旋桨在旋转时 ， 也会产生空化气泡 ， 久而久之 ， 这个螺旋桨就会被空化气泡损伤 ， 严重的时候甚至会造成航行事故 。
这小小的枪虾不简单吧？小小的空化气泡更是让我们大开了眼界 。
好了 ， 今天这一回 ， 我们暂且说到这里 ， 说天说地说科学 ， 做人做事做普及 ， 要知后事如何 ， 且听我下回分解 。
“格致论道” ， 原称“SELF格致论道” ， 是中国科学院全力推出的科学文化讲坛 ， 由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办 ， 中国科普博览承办 。 致力于非凡思想的跨界传播 ， 旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展 。 获取更多信息 。 本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks） ， 转载请注明公众号出处 ， 未经授权不得转载 。
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