主题:【分享】声 学

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醋老西
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生理声学是声学和生理学的边缘学科,它主要研究声音在人和动物引起的听觉过程、机理和特性,也包括人和动物的发声。

    耳是听觉器官的统称。人耳可分为外耳、中耳和内耳,连同各级听觉中枢组成听觉系统。听觉的声学过程发生在外耳、中耳及内耳的耳蜗一部分,听觉的神经过程发生在耳蜗的感受器部分、听神经和听觉中枢。

    外耳包括耳廓和外耳道,主要起集声作用。中耳包括鼓膜、听骨链、鼓室、中耳机、咽鼓管等结构,主要起传声作用。耳蜗主要起感声作用。

    耳蜗是一有骨质外壳卷曲呈蜗牛状的三层平行管道结构,三层管道内充满淋巴液,分别称前庭阶、鼓阶和蜗管,后者夹在前二者当中,由软组织分隔。蜗管与鼓阶间的分隔称基底膜,上面排列着声音的感受器-螺旋器,其感受细胞为毛细胞。前庭阶和鼓阶各有一窗开向鼓室,分别称卵窗和圆窗,窗上均有膜。卵窗膜与听骨链内端的镫骨底板连在一起。耳蜗靠近窗的一端称基部,另一端称蜗顶。

    正常耳的传声途径是声波作用于鼓膜,经听骨链传入耳蜗,称气导。鼓膜面积比卵窗膜约大20倍,听骨链的杠杆结构使在鼓膜端振幅大、力小的振动变成在卵窗膜端振幅小、力大的振动,有如一个变压器,起到阻抗匹配的作用,从而提高了声音从空气媒质至淋巴液媒质的传播效率。声波也可通过头骨的振动直接传至内耳,称骨传声,不过传播效率较低。

    听觉的机理包括从声波的机械振动至电、化学、神经脉冲、中枢信息加工等一系列过程。当听骨链推动卵窗膜产生振动时,声波便开始在耳蜗内的淋巴液媒质中传播,先经前庭阶,后经鼓阶。在传播途径中的时差造成了二阶各段每一瞬间的压力差,使基底膜上下波动,从耳蜗基部开始,顺序移向蜗顶,称行波。基底膜的运动使排列在它上面的螺旋器也相应地运动。

    由于惯性等作用,螺旋器内不同结构运动的方向差和速度差产生一种力,使感受细胞上的纤毛弯曲,改变了经常存在于蜗管和毛细胞之间的生物电流回路中的阻抗,从而调制了通过的电流。电流的变化导致感受细胞与听神经末梢间的突触释放化学递质,使神经末梢兴奋,发出神经脉冲。接受不同特性的各种声音后听神经发出的脉冲在时间和空间上各有不同的构型,它们携带有关声音的信息,顺序传至各级听觉中枢,经过处理和分析,最后产生反映声音各种复杂特性的听觉。

    沿基底膜移动的行波有一振幅最大点(共振点),其位置因频率而变,高频靠近基部,低频靠近蜗顶。不同频率的声音因而可使基底膜不同部位受到员强的刺激,这便是耳蜗频率分析的部位机理。听神经发放的脉冲与声波周期有一定的同步关系,听神经上许多纤维发出的脉冲排放因而可以与声音的频率一致,这便是耳蜗频率分析的时间机理。声音的强度主要由被兴奋神经纤维的数目及每一纤维兴奋后发放脉冲的多少来反映。从不同方位发出的声音到达双耳的时间差和强度差则是判断声源方位的主要依据。

    电活动是听觉神经过程的基础。耳蜗的振电压来源于螺旋器,它是上述回路电流调制的结果,是从声音的机械运动转换为神经活动的重要环节。它的主要特点是准确地复制声音刺激的声学波形,与传声器的声-电转换作用相仿,从耳蜗可记到听神经的动作电位,从各级听觉中枢可记到由声音引起的多种电变化,统称诱发电位,用微电极技术可记录听觉系统各部位单个神经细胞的电活动。电活动规律是听觉的基本研究内容之一。

    发声器官在喉头,由声带、软骨韧带结构的支架、控制声带位置和张力的肌肉群等组成。肌肉的活动由神经支配。从气管经喉头、咽部至嘴和鼻孔的管道称为声道。

    当气流从气管呼出时,呈一定张力的声带便可振动而发声,称嗓音。嗓音是多谐的,其基频的高低取决于声带的长短和张力,声音的强度则取决于气流的大小和速度。说话时基频范围约为100到300赫兹。男声较低,女声和童声较高。

    人类的语音包含极其大量的信息。发声的各种动作受大脑语言中枢的控制,通过学习后可以熟练地掌握。讲话者可以不断地通过听觉对发出的语音、唇舌等的触觉、声道肌肉群的本体感觉等接受反馈信息,这是语言流畅的重要条件。在学习通话时听觉的反馈尤其重要。绝大多数哑病是因为耳聋,患者的发声器官往往是正常的。

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生物声学是研究能发声和有听觉动物的发声机制、声信号特征、声接收、加工和识别,动物声通信与动物声纳系统,以及各种动物的声行为的生物物理学分支学科。

    生物声学是介于生物学和声学之间的一门边缘学科,它是生物学、声学、语言学、医学、化学等多学科相互渗透的产物。广义的生物声学还涉及生物组织的声学特征、声对生物组织的效应、生物媒质的超声性质、超声的生物效应及超声剂量学等方面内容,并在此基础上形成了超声生物物理学一个新的科学分支。

生物声学发展简史

    生物声学的萌芽早在人类的久远历史上就已留下了印迹。在公元前三千年的埃及古墓中,曾发现有猎人模仿鹈的叫声引诱飞鸟行猎的图案。在公元前六百年中国春秋时代的《诗经》中就有“雉之朝雒,尚求其雌”诗句,是说雄性野鸡清晨鸣叫是在寻求配偶。

    早期的文艺作品多对于虫鸣、鸟啾等动物音乐有生动的描述,其后人们又相继对昆虫、鸟类、两栖类、鱼类及哺乳动物的发声和听觉器官做了广泛的研究。

    但人们对动物声的实验研究开始甚晚,1938年美国科学家皮尔斯和格里芬证实,蝙蝠能发出人耳听不见的超声。其后随着声学、电子学与通讯技术的飞速发展,大大推动了人们对动物声通信方法的研究。1956年4月,在美国宾夕法尼亚州召开了世界上第一次生物声学学术讨论会,建立了生物声学国际委员会(ICBA),这次会议标志着生物声学的诞生。

    法国著名科学家比斯内尔尹1963年编辑了《动物的声学行为》一书,汇集了当时生物声学研究的主要成果,是生物声学发展的一个里程碑。此后,陆续举行过多种关于动物听觉与声通信的国际学术会议。

    随着科学技术的迅速发展,出现了录音机、语图仪和计算机,大大加强了对声音的录放和分析技术,使对动物声的研究进入了新的历史阶段。与此同时,由于声谱技术的扩展,特别是超声技术和超声医学的发展,使生物声学的内容大大超出了早期的正统研究范围,开始对超声在生物体系的各个层次上(生物大分子、细胞及生物组织)的传播和相互作用规律进行了大量的研究,使生物声学在更广泛的意义上与生命科学联系起来。

生物声学的基本内容

    动物之间的联系和交往是维系它们种群和群落结构,以及进行正常生活的必要手段。光、电、磁以及化学气味都可以作动物交往的媒介,然而声信息在动物交往中却占有特别重要的地位。它最大优点是传递距离远,且易于负载丰富多彩的感情。生物声学主要围绕动物声交往这个内容进行着一系列有关课题的研究。

    生物声学主要研究同一种群内动物声的识别和交往功能,不同种群的动物声的区别和隔离功能,以及动物声在种群和群落的形成和进化过程中的作用等;

    生物声学还研究动物的声发生和声接收器官,及其工作机制,即动物声交往的生理基础和它们与动物形态学的关系。许多动物的发声器官是声带,但有的却不是用声带产生动物声,如蚱蜢用后腿摩擦发声、蝉用腹下薄膜发声、鱼可用鳔发声、海豚主要靠鼻道发声等。

    同样,动物接受声波的听觉器官也各不相同。如蚱蜢微小的听觉器官生在腹部;纺织娘靠前脚上一个肉眼看不到的微型薄膜感受声波;蟑螂是用尾须接收声波;雄蚊头上两根触角上的刚毛则对雌蚊翅膀的扇动声特别敏感;许多飞蛾都有一种内藏式的“声呐系统”可以收听超声波;大多数鱼的听觉器官便是体侧的侧线,在这些侧线中含有听觉神经末梢以受纳声波;蛇的听觉极弱,主要通过腹部感受周围环境的动静等等。

    长期以来,人们出于在空间和水下探测中应用仿生学的强烈兴趣,对蝙蝠和海豚的超声定位系统给予了特殊的注意为了分析研究它们的发声信号,建立和发展了必要的理论模型和数学方法。

    蝙蝠用喉头发射超声,并用耳朵接收其反射回波,从而构成超声探测系统。发射的超声频率可高达10万赫(菊头蝙科)。实验表明,挖去双眼的蝙蝠借助其超声定位系统可探查到0.1毫米的金属丝障碍物,可在半秒内捕捉到三个飞行中的昆虫。

    海豚也有极强的超声定位本领,而且还发现海豚在相互交往时使用七种不同的发声并以长短不同的间歇相组合。科学家预言,一旦这些声信息破译后,就可通过电子技术实现人与海豚之间的对话。

    20世纪中期以来,人们使用兆赫级超声波对哺乳动物的组织和器官的超声性质(速度、衰减、吸收、声阻抗、散射等)做了大量研究,为现代医学超声工程奠定了基础。70年代以来,以B型超声成像为代表的医学超声诊断技术取得了很快的发展。它通过实时显示人体内脏的瞬态特性,直接向人们提供有关脏器的生理或病理信息。超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。

    作为生物物理学和分子生物学的组成部分,微观生物声学正在发展中。对各种氨基酸、寡肽、多肽、蛋白质及脱氧核糖核酸等生物大分子水溶液的超声弛豫吸收机制做了较深入的研究。在生物大分子构像变化、质子转移动力学及生物大分子与水分子间的相互作用等方面,也都取得了有价值的研究成果。

    声波作用于生物体对其产生某种影响称为声波的生物效应。大量试验表明,用一定频率和剂量的声波处理蔬菜、谷物、中草药及树木的种子常常可获得明显的增产效果。

    生物声学与人类生活和生产活动息息相关。播放模拟蝙蝠叫声,驱逐夜蛾,可提高玉米产量;控制海洋生物声场可以判断鱼群的位置、种类及数量,利用电子发声器引诱鱼群定向聚集,可以提高捕鱼量;飞机场安装驱鸟器会大大改善飞机的飞行安全;粮仓内安装驱鼠器可使粮食免受鼠害等等。

    人们往往成功地利用地震前动物的异常表现来预报地震的爆发,而这些动物的异常反应很可能是由地下岩石剧烈活动时发出的次声引起的;仿照水母耳做成的台风警报器可提前15小时准确地预报台风的方位和强度;仿照蝙蝠的声系统制成的声呐“眼镜”可以帮助盲人辨认出面前的电线杆、台阶以及草地中的羊肠小道。

    对哺乳动物组织超声传播和相互作用的深入研究,必然会找到描述组织生理特性的、更多的声学特征参量(如声速、声衰减、非线性参量等),建立和发展新的诊断设备,开拓定量超声诊断的途径。并可使超声医疗在更严格的科学基础上得到进一步发展。

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水声学是声学的一个分支学科,它主要研究声波在水下的产生、传播和接收过程,用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。

    声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来,并得到了广泛的应用。

    1827年左右,瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没,促使一些科学家研究对冰山回声定位,这标志了水声学的诞生。

    美国的费森登设计制造了电动式水声换能器,1914年就能探测到两海里远的冰山。1918年,朗之万制成压电式换能器,产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测,第一次收到了潜艇的回波,开创了近代水声学,也由此发明了声呐。

    随后,水声换能器的革新,关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就,使声呐得以不断改进,并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。

    第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。同时,水声学应用的领域也越加广泛,出现了许多新装置,例如:水声制导鱼雷,音响水雷主、被动扫描声呐,水声通信仪,声浮标,声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅诲底地层剖面仪,水声释放器以及水声遥测、控制器等。

    水声作为遥测海洋的积分探头,在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。随着海洋的开发,水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等方面的应用还将不断地扩展。

    现代水声学的研究课题涉及面很广,主要有:新型水声换能器;水中非线性声学;水声场的时空结构;水声信号处理技术;海洋中的噪声和混响、散射和起伏,目标反射和舰船辐射噪声;海洋媒质的声学特性等。特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透,而形成海洋声学等研究领域。

    水声换能器是发射和接收水中声信号的装置,应用最广泛的是电声转换的水声换能器,即转换电能为水中声能的水声发射器,以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。水是声阻抗率较高的媒质,因此要发射较大声功率就必须有较大的力。

    常用的水声换能器按其基本换能机理分为可逆式和不可逆式两大类。可逆式(可作接收器)的有:电动、静电、可变磁阻(电磁)、磁致伸缩和压电水声换能器。不可逆式(不可作接收器)的有:调制流体(流体动力)、气动(如气枪)、化学能(如信号弹)、机声(如扫水雷声源)等。

    20世纪60年代以来,为了实现声呐的远程探测,发展了不少新的换能材料、结构振动方式和换能机理;发展了工作在低频、宽带、大功率和深水中的发射器,具有高灵敏度、宽带、低噪声等性能的水听器;出现了新型的水声换能器,如复合压电陶瓷水听器、凹型弯张换能器、利用亥姆霍兹共鸣器原理制成的低频水听器、应用射流开关技术的调制流体式换能器、声光换能器等。

    水声参量阵分为参量发射阵和参量接收阵两类。它利用声波在水内传播时产生的非线性相互作用。如发射器同时发出两个频率相近的高频波 (又称原波),由于非线性相互作用,则还产生差频波及和频波,这也可看作为一种新的转换概念,参量发射阵利用的就是差频波。

    参量发射阵可分为原波饱和与无饱和两种情况(饱和是当声波的振幅足够大时产生的,这时,近场原波的振幅不再随声源振幅的增大而增大),有四种典型模式:无饱和近场吸收限制、无饱和远场球面扩展限制、饱和近场限制、饱和远场限制。对这四种典型模式的理论研究结果与实验符合得很好。对无饱和的两种模式,差频波的声压都正比于两原波声压的乘积。

    参量阵的主要缺点是效率很低,它的独特优点是可以利用小尺寸换能器获得低频、宽频带、低旁瓣或无旁瓣、探照灯式的尖锐波束,应用于需要低频高分辨率探测中。参量阵已进入实用阶段,特别适用于海底浅层地质的勘探、水下埋藏物的探测、浅海特定简正波的激励等。

    参量接收阵近来也受到注意,其工作原理与参量发射阵相同,非线性相互作用在高声强的泵波和待接收的声波之间发生,在泵波的声轴上接收差频或和频信号。不过,参量接收阵的技术实现难度更大,实际应用为时尚早。

    海洋及其边界(海面和海底)组成复杂多变的水声传播媒质,它的复杂多变性主要表现在随海区和季节而变化,从而有不同的传播规律。

    从声源发出的声信号在传播过程中逐渐损失能量,这种传播损失分为扩展和衰减。扩展损失表示声波的波阵面从声源向外不断扩展的简单几何效应。但实际上声波经常是在类似于波导中的传播,可以在这种波导(称为声道)中定向性地传播很长距离。衰减损失包括吸收、散射和声能漏出声道的效应。造成吸收的原因是海水的粘滞性、热传导性、海水中硫酸镁和硼酸-硼酸盐离子的弛豫机构。吸收使声强以指数形式随距离下降,吸收系数一般正比于频率二次方,因此远程声呐都选用较低频率。造成散射的原因包括海中气泡、悬浮粒子、不均匀水团、浮游生物以及边界的不平整性,散射一般远小于吸收所引起的衰减。声能漏出声道的效应则因具体声道而异。

    产生海洋传播声道的条件是海洋边界及特定声速剖面。声速剖面就是海洋的声速分层结构。海水中的声速是温度、盐度和静压力(深度)的函数。它大致分为三层:表面层、主跃变层和深海等温层。

    表面层中的声速对温度和风的作用很敏感,有明显的季节变化和日变化。在表面层以下约千米深度内,温度随深度而下降,使声速也随深度下降,具有较强的负声速梯度,称为主跃变层。最下面的称为深海等温层,层中海水处于冷而均匀的稳定状态,声速随着深度的增加而增加。在主跃变层的负声速梯度和深海等温层的正声速梯度之间存在一个定速极小值(声道轴),形成较稳定的深海声道——声发声道。

    在沿岸浅海及大陆架上,声速剖面受较多的因素影响,有较强的地区变异性和短时间不稳定性。但平均而言,仍有比较明显的季节特征。在冬季的典型声速剖面是等温层,在夏季往往是负跃层或负梯度。

    在浅海,由海面和海底构成浅海声道,声波在声道中由海面和海底不断反射而传播。海底的声反射特性,特别是小掠射角的海底反射损失,是浅海声场分析和声呐作用距离预报的重要参量,它决定于海底的底质和结构。

    当声传播水平距离不特别远(几百千米以内)时,往往把海洋看作分层媒质,分层媒质中的波动理论在60年代已达到较为成熟的阶段。

    海洋中存在着大量散射体以及起伏不平的界面。当声源发射声波以后,碰到这些散射体,就会引起声能在各个方向上重新分配,即产生散射波。其中返回到接收点的散射波的总和称为混响。混响是主动式声呐的主要干扰。由产生混响的散射体不同性质,可分为体积混响、海面混响和海底混响。

    对混响的研究大体上分为能量规律和统计规律两个方面。混响的能量规律的理论分析以声波在海洋中的传播理论和散射理论的结合为出发点,主要涉及混响强度同信号参量和环境因素的联系以及衰减规律。

    随着声纳信号处理技术的发展,接收机输出数据率不断提高,靠声纳员来辨认出目标并测定其参量是很困难的,这就发展了机器辅助检测和自动检测的技术。

    虽然水声信号处理的理论与雷达很相似,但由于水声信道的复杂性,仍有许多不同之处。


介绍完了,欢迎大家进行补充。

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