声学发展前沿

雪缘

有源噪声控制  
2  发展背景

    传统的控制噪声的声学措施主要有吸声、隔声以及使用消声器等方法，这些方式统称为"无源"噪声控制，一般来说，它们仅对中高频噪声的控制有效。1933年，德国物理学家Paul Leug（1898～1979）提出的专利"消除声音振荡的过程"，开创了有源噪声控制（Active Noise Control ）研究的先河。有源噪声控制技术擅长于低频噪声的控制，与无源噪声控制的互补性极强。70年来，在全世界科学家的共同努力下，有源噪声控制研究确实取得了令人鼓舞的巨大进步，已经建立了它自己的理论体系和独具特色的研究方法，工程应用也正在逐步走向成熟。毫不夸张地说，有源噪声控制（还有振动主动控制）已完全有条件作为一个新的学科分支。

2  有源声控制

    为了抵消初级噪声，必须人为地产生一个声场（次级声场）。上世纪90年代以前，产生次级声场的次级源均为声源（一般为扬声器），因此，这种有源控制方式又称有源声控制，在有的文献中被称为"以声消声"。有源声控制的应用场合一般包括：管道声场；自由声场；封闭空间声场。有源声控制研究在80年代中期至90年代中期达到高潮，以英国南安普顿（Southampton）大学声与振动研究所（ISVR）的P.A.Nelson、S.J.Elliott等人的研究最为出色。

2  有源力控制

    我们知道，有相当一部分噪声是由于结构振动辐射引起的。对于这类噪声，人们试图用有源声控制的方法加以控制，然而，理论研究结果表明：只有在极低的频率下，用少量点声源可以取得降噪效果。如果次级结构振动变得稍稍复杂一些或激励频率稍微高一些，用点声源来控制声辐射就变得异常复杂，结果也不能令人满意。1985年，美国弗吉尼亚理工与州立大学的C．R．Fuller等人开展了用次级力源控制结构声辐射或声透射的研究，这种方法称为有源力控制。最初的工作研究了采用点力源为次级力源，位于声场远场的传声器作为误差传感器，拾取远场声压为误差信号，以有限点的远场声场平方和为控制目标函数。研究内容主要包括：

降噪效果与次级力源个数、位置的关系；
有源力控制方式与有源声控制方式的比较；
用次级力源控制圆柱结构向声腔内外的声辐射；
次级力源控制封闭空腔内弹性板声透射。
2  有源声学结构

    不管是有源声控制，还是有源力控制，都属于分布式系统。系统中的致动器、传感器、控制器的结构和形式依赖与具体的声学、振动环境，这样，系统的安装、调试、维修均需要深入的专业知识，这给它的工程应用和市场推广带来严重限制。近年来，正在展开研究的有源声学结构在一定程度上可以克服上述缺点。这种结构主要包括：产生次级声场的致动材料、检测振动与声功率或反射声功率，由此构成的结构称为有源隔声结构或有源吸声结构，其作用范围主要在低频。当然，它可以与传统的"无源"材料相结合，形成混合式有源声学结构，使得作用频段更加宽广。

2  工程应用及发展前景

    有源噪声控制是一种针对性极强的应用技术，它经历曲折而蓬勃发展的动力就在于它巨大的应用潜力。经过70多年来的努力，在多个领域获得应用，已经有部分商业产品出现。如管道噪声有源控制及有源消声器、有源抗噪声耳罩和送话器、车厢内部噪声有源控制、飞行器舱室噪声有源控制，等等。
     未来的发展有很大的空间，主要在两个方向进行，一是改进现有的控制系统，增强系统的通用性、提高系统的可靠性，可维护性，改善人机操作环境，使具有少量专业知识的人士可以进行操作和维护；其次是方向将有源控制的思想与其它学科进行交叉融合，形成新的研究方向，譬如机翼颤振的有源控制、不稳定的有源控制、电磁波有源控制、非线性系统有源控制，等等。

雪缘

语音识别  
    语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。语音识别有两种含意，第一种是将口述语言逐字逐句地转换为相应的书面语言(即文字)，第二种则是对口述语言所包含的要求或询问作出正确地响应，而不拘泥于将所有词正确转换为书面文字。作为专门的研究领域，语音识别又是一门交叉学科，它与声学、语音学、语言学、数字信号处理理论、信息论、计算机科学等众多学科紧密相连。

2  发展背景

    语音识别技术萌芽于50年代机器翻译研究时期，但真正取得实质性进展，并将其作为一个重要的课题开展研究则是在60年代末70年代初。这一方面要归功于计算机的计算能力有了迅速的提高，能够提供实现复杂算法的软、硬件环境;另一方面，数字信号处理理论和算法在当时有了蓬勃发展，从而自60年代末开始引起了语音识别的研究热潮。

2  语音识别系统结构

    由于对语音识别的需要来自不同的领域和部门，因此对语音识别系统应具有的性能和指标提出了差异极大的要求，语音识别系统要根据一定的指标、要求设计，主要考虑到服务对象、词表大小、工作环境、发音方式、语音的质量、工作性质等因素。
    语音识别系统的原理框图如图2.1：


    可以看出语音识别系统实质上是一种模式识别系统，与常规模式识别系统一样包括有特征提取、模式匹配、参考模式库等三个基本单元，它的基本结构如图2.2所示。语音识别的步骤分为三步。第一步是根据识别系统的类型选择一种识别方法，采用语音分析方法分析出这种识别方法所要求的语音特征参数，这些参数作为标准模式由机器存储起来，形成参考模式库。第二步是语音识别的核心，采用选择的语音识别方法进行模式匹配。语音识别核心部分又分别表现为模型的建立、训练和识别三个部分。第三步，语音识别可以进行后处理，后处理通常是一个音字转换过程，有可能包括更高层次的词法、句法和文法处理，另外也有可能作为某个具体的任务语法的输入。


2  实现语音识别的关键技术

    语音识别的关键技术包括特征参数提取技术、模式匹配准则及模型训练技术、语音技术单元选取。
    进行特征参数提取前，先要对语音信号进行采样和预处理，预处理一般包括分帧处理、预加重、和加窗处理几个部分。然后进行特征提取，目前比较有效的识别特征有MEL频率倒谱系数(MFCC), 另外由线性预测系数(LPC)导出的倒谱系数也是一种常用的语音识别参数。
    接下来进行的是语音识别算法的实现，核心是实现参数化的语音特征矢量到语音文字符号的映射，一般包括模型训练和模式匹配技术。目前主流的模型训练和模板匹配方法有：动态时间规整(Dynamic Time Warping)、隐马尔可夫模型(Hidden Markov Models，简称HMM)、人工神经网络。

雪缘

声化学  
    声化学是一门新兴的交叉学科，近些年在声化学投入的研究和所获得的成果越来越多。这门学科主要指利用超声来加速化学反应或触发新的反应通道，以提高化学反应产率或获取新的化学反应物。

2  研究现状

    声化学研究最早出现于20世纪20年代的美国普林斯顿大学化学实验室，当时曾发现超声波可以加速化学反应，但并没有引起重视。50年代之后，声化学有了长足的发展，1986年在英国召开了"首届国际声化学学术会议"，标志着声化学作为一门新的学科已经形成。其后，声化学的国际学术组织成立，国际学术活动频繁，国际学术杂志开始发行．欧洲声化学学会(ESS)成立于1990年，每一两年召开一次国际学术会议，2004年4月份将在西班牙召开第9次国际声化学学术会议。国际声学会议(ICA)、世界超声大会(WCU)和功率超声在物理和化学处理中的应用(APUPCP)等国际例行学术会议上都列有声化学的讨论专题。此外，声化学文献还比较多地出现在各种有关化学和声学杂志之中。我国第一本声化学专著――《声化学及其应用》(冯若，李化茂)1992年在安徽科技出版社出版。

2  超声化学原理

    超声作用可以促使常规条件下不能发生的化学反应发生或者提高现有的反应速度及反应程度。但这些并不是声波直接作用于反应物质的结果，一般认为上述现象的发生主要源于超声的机械作用和空化作用，是它们改变了反应的条件和环境的结果。
    机械作用--将超声波引入化学反应体系，超声波可使物质作剧烈强迫运动，产生单向力加速了物质的传递、扩散，可代替机械搅拌，能使物质从表面剥离，从而使界面更新。
    空化作用--在一些情况下，超声效应的产生则要与空化机制相联系，声空化是指在声波作用下，存在于液体中的微小气泡（空穴）所发生的一系列动力学过程：振荡、扩大、收缩乃至崩溃。
    上述这两个作用也许就是超声能加速和通启化学反应的缘故。

2  超声化学反应器

    声化学反应器一般包括电子部分、换能器部分、耦合系统及反应器部分, 前面两部分基本上是已经定型的东西，并且属于超声学的内容，故在此不进行叙述，主要介绍几种声化学反应耦合系统和反应器。
（1）超声清洗器：这类反应器价廉易得，目前大部分的声化学反应都是用它来进行的；
（2）杯式超声反应器；
（3）非变幅射式超声反应器：这一类型的反应器有专门为化学反应而设计的反应器，温度压力控制可以达到非常精确的程度；
（4）探头插入式反应器；
（5）连续反应器；
（6）与光电结合的反应器。

2  超声化学的应用和前景展望

    声化学的应用范围很广，涉及到生物化学、分析化学、催化化学、电化学、光化学、环境化学、矿物化学处理、萃取与分离、合成与降解，等等。
    超声在生物化学中的最早应用应当是用超声来粉碎细胞壁，以释放出其内容物。随后的研究表明，低强度超声可以促进生化反应过程，如用超声照射液体营养基可增加藻类细胞的生长速度，从而使这些细胞产生蛋白质的量增加3倍。
    在催化剂的制备中，常用到超声波，超声波的辐照可以增加催化剂的表面积使活性组分分散更均匀，催化活性增强。如美国Suslick等人发现，用超声处理镍催化剂，可以实现烯烃的常温常压加氢，在超声波作用下，用镍催化剂的烯烃加氢反应活性可增大 倍以上，用 的超声活化羰基铁催化剂，在室温下使戊烯-1异构为戊烯-2反应速度提高了10 倍。
    已有大量的研究报道表明，超声在化学合成方面有惊人的作用。在有机合成方面已成为常规合成技术，如格林试剂的合成中，传统工艺需使用严格干燥的乙醚且需加入少量碘作诱导剂，而在超声照射下，只需普通试剂级乙醚而无需干燥。反应的诱导期也大大缩短至几秒；用镍粉催化的烯烃加氢反应，在超声照射下，反应速度可以加快 倍以上。
    超声波声场的能量密度与空化泡崩溃时的能量密度相比,能量密度被扩大了万亿倍,引起能量的巨大集中;空化泡产生的极端高温和高压导致的声化学现象和声致发光,是声化学中特有的能量和物质交换形式,这些为化学和物理提出了新的研究课题。

雪缘

光声学和声致发光学  
    在上世纪30年代,科伦大学的H.Frenzel和H.Schultes发现水溶液在声场的作用下居然有光发射出来,从此人们知道了一种崭新的发光现象--声致发光(sonoluminescence)。 然而单个气泡的声致发光现象约在上世纪的90年代初才被发现并有进一步的研究。
    声致发光的特征和机理到目前为止还没有一个完善的解释，但活跃在此前沿的科学家都有这么一个共识：搞清楚多泡声致发光和单泡声致发光的机制。液体中的声致发光主要有两类机理，分别是多泡声致发光和单泡声致发光，近期的两种实验表明，液体中多泡(multiple-bubble) 声空化和单泡(single- bubble)声空化的发射光谱非常不同。
    美国声学学会主席、华盛顿大学(西雅图) 声学电磁学系主任L. A. Crum 教授是国际声学界颇具声名的科学家。他认为：声喇叭浸入液体,并由较高的超声功率所驱动,声辐射端头可以形成大量空化泡,它们都是瞬时空化的, 声致发光可扩充到几乎整个液体,是多泡空化的结果, 可称作多泡声致发光。由于空化泡之间的相互作用, 以及(或) 受容器等边界的影响, 这类空化泡的爆裂是不对称的，部分宿主液体趁此流入气泡中心，随后的绝热压缩便使它们升高到白热化的温度。单个气泡通过声悬浮方法，使它置于声学谐振腔内的液体中，在较强的功率超声作用下，该一气泡以其平衡体积为中心作大径向的持续振荡，即稳定空化，这种振荡可持续几百万个声周期，每一周期中均出现一次闪光，而且与驱动声波同步，可称作单泡声致发光。单个气泡空化时的爆裂是对称进行的, 而且泡内气体可能形成了内聚激波, 这就是单泡声致发光时极高温度产生的主要原因。
    虽然多泡声致发光和单泡声致发光的特征和机制的不同, 已为越来越多的科学家所承认, 但离完全确认还有一段距离。
    李化茂，俞小青和冯若在《关于声致发光的类型》这一文中提到用瞬态空化声致发光(transient cavitation sonolum inescence, 简写为TCSL)和稳态空化声致发光(stable cavitation sonolum inescence,简写为SCSL)来区分两类声致发光, 较能反映这两种有明显区别的空泡动力学过程及其声致发光等物理、化学效应。
    声致发光有着广阔的应用前景。考虑到单泡声致发光的稳定性及几十皮秒宽的光脉冲与声场之间精确的同步性,人们可以利用它来开发一种廉价的高精度频率源。在空化泡中内爆塌缩时声致发光将能量高度集中的本领，对可控核聚变的研究者提供了一个有价值的模型。声致发光在化学上也有着广泛的应用前景。多泡声致发光时剧烈的空化现象对化学反应有着显著的影响，比如它能将需要花几个小时的从碘化钾中还原碘的实验缩短为几分钟。有人试验，使激光束照射到水面上的点以略高于声速移动，这就可以不断加强声束，估计可使高频率声波传到5公里、10公里的距离，有广阔应用的前途。光声在无损检测方面也很重要。

雪缘

热声学  
     我们知道，声波在空气中传播时会产生压力及位移的波动。其实，声波的传播也会引起温度的波动。当声波所引起的压力、位移及温度的波动与一固体边界相作用时，就会发生明显的声波能量与热能的转换，这就是热声效应。
    根据能量转换方向不同可将热声效应分为两类：一是用热来产生声，即热驱动的声振荡；二是用声来产生热流，即声驱动的热量传输。其相应的实际应用机械装置分别为热声压缩机和热声制冷机。热声压缩机和热声制冷机在原理上是一致的，只是由于某些参数不同而导致了运行结果的迥异。
    人们在很早以前就发现了热声效应。1777年,Higgins在实验中发现：当把氢焰放到一根两端开口大管子的适当位置时会在管子中激起声波振动。由此演化而来的Rijke管现在已经在大学课堂上广泛用作演示热声效应的装置了。另一种较早的热声装置Sondhauss管也是在十九世纪就提出来了。它与Rijke管的不同之处在于它是在一根只有一端开口的管中利用热声效应来发出声音的。
    1878年，Rayleigh首先给出了热声振荡现象定性解释，他指出：对作声振动的介质，若在其最稠密的时候向其提供热量，而在其最稀疏时从其中吸取能量，声振动就会得到加强(热能转变为声能)。反之，若在其最稠密的时候从其中吸取热量，而在其最稀疏时向其提供能量，声振动就会得到衰减(声能转变为热能)。这就是所谓Rayleigh准则。
    现代实验热声学最重要的发展之一是美国新墨西哥大学的Carter教授和他的研究生Feldman在1962年对Sondhauss管进行的改进。
    1986年，Hofler在他的博士论文中设计并制作了一实验热声制冷机。
    国内对热声理论的研究刚刚起步，中科院，华中理工大学，上海同济大学，浙江大学都建立了制冷和低温研究所。在热声压缩机和热声制冷机方面都有相应的实验研究并取得了一定的成果。
    近来，美国在提高热内燃机效率水平的研究方面取得了进展，这表明商业化热声学装置将在不久后被广泛应用。
    据介绍，热声学发动机和电冰箱内的声波能够取代传统机器内部的典型机构--活塞及曲柄。在过去的20年中，物理学家和工程师们曾致力于一系列不使用摆动活塞、油密封或润滑剂的热发动机和压缩驱动电冰箱的研究。
    这些所谓的热声学装置利用其内部的声波反射把热能转化为机械能，或将机械能转化为热能。这类机器可用于发电或提供制冷和空调。由于热声学装置使用惰性气体作为"工作液"，因而它们不会对环境造成影响，比如破坏臭氧层，产生"温室效应"使全球变暖。而以往的空调设备制冷剂却含有CFC及HFC等有害物质。

雪缘

海洋声学  
     随着海洋科学和开发的迅速发展,海洋声学技术已发展成为海洋高科技中的重要组成部分,已成为声学中的独立的分支学科。
    海洋声学是 水声学 和海洋学的结合，关于这两门学科能够很好地结合的问题，简略地说，是由于声波为目前唯一能够在海水中作远距离传播的一种辐射形式，声波是水中信息的主要载体。1996年5月以前建立了联合国大陆架界限委员会,该委员会认为要用5种设备测量才能认可为划界提供的图件和资料,其中3 种设备是声呐,它们都属于海洋声学技术的研究范畴。美国科技白皮书中,在海洋高技术的内容中,海洋声学技术占有重要篇幅。每年召开的OCEANS会议中,海声学技术占有三分之一以上的篇幅。
    目前，海洋声学技术的研究内容主要包括探测声呐、导航声呐、定位声呐、水声通信机和声层析等技术。
    至于海洋声学技术开发和研究有哪些应用，内容就太多了，如监测海洋污染、测绘海洋地貌、鱼群探测、渔业管理、探测海底浅层沉积物分层结构并绘出剖面图形、探测深海海底分层结构、开发浅海石油、指导巨型海轮安全靠岸、破坏性海啸短期预报、声线轨迹及声速、测定石油井口位置、船舶动力定位、海洋参数自动测定、内波测量，海流测量，等等。当然海洋声学的应用远远不止这些。
    20年前，对湛江港航道曾动用大量人力、物力，花费了三年时间进行扫礁工作(尚未进行钻探)，而本次探测(包括钻探)仅用三个月时间，投入总人力不过五六十人，总费用26万元，其中钻探费用即占18万元，且钻探工作量是在已有浅地层剖面探测资料的基础上确定的，否则按有关规定布孔钻探费用预计达65万元之多，还应当指出，即使钻孔布置得再多，也不能得到类似浅地层剖面探测所得这样连续、逼真的地质剖面图。通过本次勘测证实，20年前所确定的礁石区其实并非'礁石'，因此愿工程预算的1.4亿元炸礁费后，现改为O．07亿元的挖泥费就够了，这不但使该港建设深永泊位成为可能，而且为航道疏浚节省了大量人力、财力和时间。
    中国科学院声学研究所研究员、博导朱维庆在《海洋声学技术和信息处理》一文中提到了，根据国际上的发展趋势和我国的国情，建议今后我国的海洋声学着重研究如下技术:

1. 探测声呐－合成孔径声呐技术和采用高分辨率波束形成技术的测探侧扫声呐。它们与Chirp 浅地层剖面仪组成的三维声成象系统完全满足海洋测量要求。
2. 导航声呐技术－声相关海流冲面仪(ACCP) 技术、声相关计程仪(ACL) 技术和相控阵声多普勒海流剖面仪(PAADCP) 和相控阵声多普勒计程仪(PAADL) 。
3. 定位声呐技术－能跟踪多目标的远程长基线定位声呐。
4. 水声通信机－中程相干水声通信技术和水声通信网技术。
5. 声层析技术－中尺度大洋声层析技术,既能为海洋学研究提供有用的结果,相应的科研投入又较易解决。

雪缘

声学微机电  
     微机电系统作为人们在微观领域认识合改造世界的一种高新科技一直以来对微米级至纳米级尺度下的微构件实施有效操作有着强烈的需求。特别是随着微机电系统领域从原来注重单元零结构的生产向混合系统的集成方向高速发展，微结构操纵技术更加体现出其重要性合迫切性，探索新理论，新机理并发展这种技术已经成为微机电系统这个新兴技术领域的一个最基础、最关键的热点研究课题之一。
    经过许多科学家多年的不懈努力，目前已有多种形式的微电机相继问世，目前主流的微机电系统有三种：静电型电机，电磁型电机和超声波型电机。
    静电型电机是利用电场和电荷之间作用力的一种电机，任何细小微粒、薄片都有静电存在，利用这一原理可以制成很小的电机。因为这种电机中的摩擦力和粘滞力较大，其输出力矩很小，难以实用！电磁型电机利用通电导体在磁场中受力而获得驱动力，具有输出力矩大、运行寿命长、转换效率高转速、可调范围大和转向可逆等优点，具有广泛的实用性，其根本缺点是结构复杂，难以用微电子工艺加工和进一步微型化。而超声波电机是利用压电材料（薄膜或圆片等）具有的逆压电效应，即在交变电场作用下，压电材料会产生伸缩现象，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将电能直接转变成机械振动能,并利用摩擦转变成旋转或直线运动的驱动方式,它没有绕组和磁性元件，具有结构简单、重量轻、单位体积获得的出力大、响应速度快、控制精度高、没有电磁噪声和电磁兼容性（EMC）好等优点,另外还具有耐低温/真空等适合太空环境的特点,有其独特的优势。
    国内外对超声微电机研究是在上世纪90年代初开始的，是在静电微电机和电磁型微电机研究受阻后转向的。超声微电机已是MEMS中一个十分新颖和具有巨大潜力的开发课题,有许多基础理论和实验问题有待突破!
    下面介绍一下目前主要的几种超声微机电：
    一是柱状超声微电机，具体又可分压电管式，压电片夹心式和压电柱式，但其传动原理一样。"但其传动原理一样，如图7.1所示。定子产生弯曲摇头运动，转子压紧通过摩擦力产生回转，其实质是单个行波连续的点（线）接触。最早研究此种超声微电机的MIT人工智能实验室。后来也陆续有性能更好的超声微机电出现，包括国内清华大学李龙土院士课题组和周铁英教授课题组已分别研制成功了直径 和直径 电机，其转速都比较高。
    二是环状超声微电机，美国密苏里大学研制了直径 的环状超声微电机。MIT研制的双面转子行波型超声波电机力矩要比同直径的行波型超声波电机高2倍，且运转十分平稳，已成功用于NASA的火星着陆灵巧机机械臂。
    三是弹性叶片超声微电机，是由东京工业大学的中村等人首先提出并试制成功的。由于其结构较简单，可进一步微型化。
    超声微电机的发展始终围绕实用化，但针对各种应用背景，发展趋势主要在两个方向上：一是更微型化；二是兼顾出力和尺寸的超声微电机。
    超声微电机在进一步研究的过程中主要解决的几个关键问题可以分为以下几个：


1．系统模型和设计，应建立超声微电机的系统模型和基于模型的优化设计方法，解决微摩擦问题
2．基础技术
3．工程化，如高低温和真空环境下性能和寿命问题是军工应用所必须考虑的。

qzyxm

好文章，学习中

snower222

比较全面。
声学问题其实涉及到我们工作生活的方方面面
想问一下搂主：文字摘自何处？

xxg1030

不错

sky_552574

非常不错 好好学习一下

resun

个人比较看好语音识别技术，市场比较广一些。附加值也高

navigator

有源噪声控制感觉离实际应用太远

liqh78

不错不错，好好学习一下

znyzny

不错