什么是声学?

——你是干什么的?

——我是做声学的。

——啊,生学啊。妇产科的?哦哦,声音的声啊,玩音乐的?卖音响的?

——不是,我……

此处省略号代表一个声学从业者的内心独白。

声学科普做了也已经一年多,值此2020声学之年,觉得很有必要把最基本的东西单拎出来聊聊。今天我们来谈两个问题:

什么是声学;声学是干什么的。

 

什么是声学?

什么是声学?

什么是声学?

声学的英文Acoustics,来源于希腊语ακούειν,意为“听”[1]。维基百科上的定义为:

声学为物理学分支,涉及机械波在气体、液体和固体中的研究,包含的课题有振动、声音、超声和次声。

个人觉得这个定义过于严肃,而且略显片面。接下来我们就开始用大白话,穿插着幽默的诙谐,来看看声学到底是个什么玩意。

什么是声学?

声学是声音的科学。也就是说,一切和声音有关的事物,都在声学研究的范围内。从各种东西发出声音,经过不同的东西传播,被能听见声音的器官,比如耳朵,接收并感知到,这一系列过程的每一个环节都和声学相关。

听觉是动物赖以生存的重要因素,而说话又是人类发展和建立文化的关键。因此,声学科学广泛分布于人类活动和人类社会的各个方面,比如音乐、医疗、建筑、工业、环境甚至战争等。不仅在人世间,兽类之间也通过声学活动来进行他们生命中必不可少的活动,比如求偶、群殴等等。

什么是声学?

我们看一下,在我写这篇文章的过程,都涉及到哪些方面的声学:

打开电脑,打开spotify放歌

—— 各种乐器手弹奏,歌手演唱,通过录音设备留下声音;声音文件通过spotify软件,被我的音响播放;播放出来的声音一部分直接进到我的耳朵,而另一部分经过我房间的各种反射才能进到耳朵;房间的地板下面铺有吸声材料,沙发和窗帘材料也在扮演吸声好手,这些都会影响我听到的声音;

—— 涉及到:乐器、音乐、录音(麦克风、前段放大器、数采)、音频工程、音响工程、房间声学、声学吸声材料;

敲打键盘

—— 键盘发出的声音也是经过设计,你会发现苹果的键盘和联想的并不一样,和机械键盘又不一样;

—— 涉及到:机械、声学设计、工业设计;

写了一会,走到窗边,打开窗户透透气

—— 窗户打开后,马上就能听到大街上的各种交通工具的声音,街上有各种汽车,每种汽车的引擎声和经过声音都不尽相同;

—— 涉及到:环境噪声、建筑声学、汽车声学;

掏出手机,跟朋友发几条语音

—— 对着话筒说话,用Bose耳机听朋友回复。不想听语音,把语音转文字;

—— 涉及到:麦克风技术、DSP、主动降噪、声音压缩、语音识别;

说实话,不写出来我也没发现短短的几个活动就可以涉猎到这么多领域。这就是声学的特点,交叉性极强。

著名的“声学之轮”了解一下。

什么是声学?

很少有基础理论学科能做到声学交叉性这么强 [https://acoustics.byu.edu/content/what-acoustics]

什么是声学?

声学是干什么的?

萨尔福德大学声学网站上有一张图

什么是声学?

我原来科普讲座里面也大概整理过涉及到的领域:

什么是声学?

美国声学协会ASA(Acoustical Society of America)对声学领域的进行了如下分支:

气动声学(Aeroacoustics):关注声音/噪声如何通过气体流动产生以及传播,比如噪声怎样通过航天器和风车产生,以及吹奏乐器如何发声等等。

风车旋转过程的湍流仿真

音频信号处理(Audio signal processing):设计范围比较广,比如

  • 模拟声音信号处理,涉及到电气工程;

  • 声音增强,比如在混响比较强的空间中;

  • 去噪,比如Skype的回声消除或者助听器的去噪降噪;

  • 音频文件压缩,比如大名鼎鼎的MP3;

  • 声音信号识别,比如摇一摇搜歌。

建筑声学(Architectural acoustics):我之前详细介绍过建筑声学发展史,这里不做过多介绍。

生物声学(Bioacoustics):主要研究动物间声音的产生和听觉。包括声音交流和动物行为和种类进化的关系,动物的听力原理和神经生理学,利用声音来监督动物种群,人为噪声对动物的影像等等。我在AI声学这篇文章里面也介绍了人工智能如何应用在生物声学

电声学(Electroacoustics):涉及到耳机、麦克风、音响等声音系统的声音重建、录制和设计。电声随着手机等便携式电子设备的兴起而迅猛发展,HiFi爱好者对其也有很大推动。大部分相关的电子企业都有电声方面的研究。

环境声学(Environmental Acoustics):控制环境中交通、飞机、工业设备、娱乐活动等产生的振动和噪声。声学从业者需要能够定量检测噪声,并且提出解决方案。很多声学咨询都可以提供相关服务,国内外在环境声学领域都有很多人在做。由于和人的健康息息相关,环境噪声对人的影响越来越大,也因此更受重视。声景(Soundscape)是环境声学衍生出来的新宠,不止关注与噪声,也关注如何积极地利用声音,为人服务。更多声景的知识可以参考康健老师的书[4]。

什么是声学?

https://www.nps.gov/yose/learn/nature/soundscape.htm

音乐声学(Musical Acoustics):致力于研究音乐的物理特性和感知。主要包括乐器和电子合成器的功能和设计,人类的嗓音研究,电脑分析音乐和合成(原来有个同事在芬兰学的computational music),医用的音乐理疗等等。

Autotune救了多少歌手的车祸现场?

 

噪声控制(Noise Control):顾名思义,关注怎样降低噪声,可从三个领域降噪:噪声源、传播途径和接受者(比如戴耳塞)。噪声控制里面包含一个重要的工业应用分支:NVH(noise, vibration, and harshness),在汽车领域扮演者极为重要的角色。继N和V之后,H也逐渐被重视起来,这就不得不谈心理声学。

心理声学(Psychoacoustics):声学和心理学的结合,是声学领域的新贵。人脑这个黑箱,给声学带来了无尽不确定性以及挑战。在原来的文章也长篇大论过,不在这里展开。

声学发展史之——心理声学(Psychoacoustics) · 上

声学发展史之——心理声学(Psychoacoustics) · 下

语音(Speech):包括语音的产生、处理和感知,涉及到物理、生理、心理、语音信号处理和语言学。在人工智能/机器学习中,语音识别和语义分析是两大重要课题。如何让语音清晰、高效、高质量的被传递和接受是现在语音交互中的难点。我在上面提到的人工智能声学那篇文章也有提过。

超声(Ultrasonics):虽然频率太高,人类听不见,但是在医疗领域应用广泛,其他领域还包括无损监测、水声等。

水声(Underwater Acoustics):说了半天水上的,终于来了个水下的。经典的水声研究就是水下声源定位,在军事上广泛应用。除了人类活动之外,水声也和生物声学交叉,面向水下动物。

什么是声学?

http://www.sercel.com/products/Pages/mats3g.aspx

振动和动力(Vibration and Dynamics):研究机械系统的振动,比如铁轨的地面振动、建筑物的隔振(消声室)、人类振动(手-手臂振动症候群)、桥梁防震、建筑中结构声等等。

除了ASA提到的这些分类,我个人觉得还有几个分需要以补充(部分和上边提到的有重叠):

医疗声学、材料声学、虚拟声学。

虚拟声学这块我写过关于Auralization的发展史:

声学发展史之——可听化 (Auralization)

最后来看看声学从业者们现身说法:

https://exploresound.org/meet-acousticians/

 

欢迎声学同行们补充、提意见和建议。

最后希望疫情早日退去,生活尽快恢复正常,小伙伴们健康平安!

在家没事的时候看看声学科普也不错 ^^

封面来源于:

https://www.gyptone.com/benefits-acoustics/

参考

[1] Turner, J., & Pretlove, A. J. (1991).Acoustics for engineers. Macmillan International Higher Education.

[2] http://salfordacoustics.co.uk/

[3] https://exploresound.org/

[4] Kang, J., & Schulte-Fortkamp, B. (Eds.). (2016).Soundscape and the built environment(pp. 161-195). Boca Raton, FL, USA:: CRC press.

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Acoustical_engineering#Acoustic_Engineer_.28Professional.29

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2019-9-14 11:18:55

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