医用声学工程

第1章 声学工程的发展 本章介绍声学的研究、应用历史，以及声学工程的内容及体系。 1.1 声学的历史与发展 对于动物来说，声音是重要的交流手段，同时声音还包含与安全及生命相关的信息。不难想象，自然界中不经意间听到的声音及动物的叫声或许会让人感到危险。而人类也可以利用有价值的声音创造音乐，达到治愈的效果。公元前500年左右，毕达哥拉斯研究振动弦的调和音，发现了毕达哥拉斯音阶。希腊为了获得较好的音响效果，将剧场设计成了圆形。而公元前100年克特西比乌斯(希腊)证明了空气具有弹性，声音通过弹性体传播。 1088年世界上昀古老的大学——博洛尼亚大学创立，之后法国及英国相继成立了大学，1300年左右科学与技术飞速发展，人们开始致力于对科学的研究。1602年散克托留斯(意大利)出版了一部关于脉搏数与脉搏仪的书籍。梅森(法国)在1636年发表了关于弦振动频率的定律(梅森定律)，与伽利略(意大利)有关力学的科学书籍《两种新科学的对话》(1638年)一起成为声学理论的基础。以万有引力而出名的牛顿(英国)对声速也进行了研究。此外，拉普拉斯(法国)根据声速理论计算及实验，计算出了高精度的数值。 经过文艺复兴时期进入19世纪后，对物体的振动及声(波)传播领域的研究进入繁盛时期。 1831年法拉第(英国)发现了电磁感应现象，法拉第电磁感应定律为以后的电信发展做出了巨大贡献。使用线圈的麦克风和扬声器就是利用电磁感应原理。 多普勒(奥地利)在1842年发现，声源靠近或远离观测者时，观测者所听到声音的频率不断变化，由此发现了多普勒效应(多普勒频移)。目前该技术已成为流速测量，尤其是血液流速测量和诊断中不可或缺的技术。 1843年欧姆(德国)提出复杂的声音(音色)是由各种各样的纯音合成的，人类的耳朵可以根据频率的不同区分不同的声音。这一有关听觉感知能力的理论，之后被亥姆霍兹详细验证。 亚历山大 贝尔(美国)在1876年发明了电话。爱迪生(美国)在1878年发明了留声器，在1883年发明了收音机用真空管。自此以后，声与电之间实现了便捷的转换，电气音响装置开始发展起来。在此之前人们听到的声音以音乐及建筑方面的声音为主，随着电气电子技术的进步，声音开始被积极地用于人类的生活中。1887年赫兹(德国)实验证明了电磁波的存在。1895年伦琴(德国)发现了 X射线。 1918年朗之万(法国)发明了能发出听不到的声音的超声振荡器。 20世纪30年代，美国贝尔实验室的弗莱彻和曼森测量了不同频率所对应的声音大小以及能够听到相同大小的声音之间的关系等听觉特性，成为现在等响曲线的基础。 随着电子技术与测量技术的进步，声学得到进一步发展，主要研究和开发的领域包括： (1)乐器和声音产生设备的研发； (2)听觉与发声器官； (3)语言、声纹； (4)建筑中的声音(建筑声学)； (5)机械振动； (6)测量和分析技术； (7)生理和心理声学及其测量(包括声音的不利因素、无用的声音、噪声等)。 1.2 声学工程的应用领域 电气与声音实现便捷的转换以后，随着电子技术的进步，尤其是晶体管及集成电路(IC)的出现，声学工程的应用领域飞速扩大，不仅是对声音本身的利用，通过声波发明出的具有感知、机械诊断、生物诊断功能的传感器等的应用技术也在不断发展。同时，数字信号处理技术及软件技术的进步无疑进一步促进了声学的研究及应用的扩展。声音的利用形式如表1.1所示。 表1.1 声音的利用形式 声学工程的应用领域大致可分为三种：**种是以语音和音乐为代表的可听声应用领域；第二种是通过声波的接收和发送检测物体传出信息的应用领域；第三种是利用声音的振动及能量的领域。 (1)可听声应用领域。其中，在通信与播放领域，声音的频率及精度非常重要，电视及调频(FM)广播中采用的是音质优良的变频方式。在声音的记录领域，根据精度及再现性需求，开发出了 MD、CD、DVD等数字设备。对于语音等模拟信号，采用快速傅里叶变换进行数字信号的处理。音乐的数字演奏中采用的是乐器数字接口(musical instrument digital interface，MIDI)这一国际协议。其中包含声音的频率、强度、时间等信息，可以轻易地实现数字合成，也可以进行演奏及作曲等；此外，还开发出了高性能电子乐器。声音的检测及收集中不可避免地要使用到麦克风，经常使用的是小型且高性能的电容式麦克风。将麦克风呈阵列排列，通过电气控制具有时间差的声音信号，可以制作出指向性麦克风。相反，若通过扬声器的排列从时间上控制声音的产生，则可以制作出向特定方向发声的系统。声音的广泛利用改进了声音测量方法及功能，其中较为常见的有声级计、振动计、声图等。 (2)声波的应用领域，主要使用的是无法听到的超声波。向物体上照射超声波后，根据发射声波与从物体反射回的声波的时间差，可测量到物体的距离。这其实是利用了与蝙蝠及海豚使用超声波相同的原理。搭载在汽车后部的超声传感器也应用了这个原理。鱼群探测器是利用超声扫描对鱼群影像化的装置，能够确定鱼群的位置，判别鱼的种类。 超声波不仅能够在物体的表面发生反射，还能在内部进行反射，通过超声扫描生物体，可以获取组织信息。超声诊断设备被应用到身体各区域的组织诊断。当然，此时需要压缩超声波的光束，以提高方向性，所以采用了排列有微小探子的电子控制收发波装置。另外，通过超声波的高速扫描，可以诊断心脏等器官的状态。对超声波的反射波应用多普勒效应后，可以测量流体及血液流动速度。超声显微镜使用了波长极短的高频超声波，与光学显微镜相同，对组织进行微观成像。 (3)利用声音的振动及能量领域。在利用超声振动原理的精密仪器中，有一种是超声电机。这种电机利用了物体与存在超声波行波的表面接触就会移动的原理，该原理已用于照相机自动对焦功能。超声波的声压增大，压缩及拉伸的差值就会变大，局部甚至会达到真空级别的声压。这种利用声能的例子包括乳化装置、超声清洗装置、超声加工装置、超声手术刀、超声粉碎装置等。 另外，声音与听觉密切相关，会对生理及心理产生影响，因此在声音生理学领域也有深入的研究。 参考文献 [1] 山崎俊雄，木本忠昭:電気の技術史，オーム社(1978) [2] 山崎俊雄，大沼正則，菊池俊彦，木本忠昭，道家達魔将:科学技術史概論，オーム社(1979) [3] 松岡正剛監修，編集工学研究所構成:情報の歴史， NTT出版(1990) 第2章 波与声 声音也是一种波，本章将声波与光波及电磁波等各种波的特征进行比较，以正弦波为例，对波的基本特征进行说明。在物理学方面分析声波的过程中，可以使用波动方程，本章的目的是掌握方程中的平面波与球形波的特征。此外，在应用领域，介绍微小声源、正弦波的传递等问题。 2.1 各种各样的波 自然界存在各种各样的波，其中有自然现象产生的波以及人工产生的波。此外，还有人的眼睛及耳朵无法感知到的波。说起“波”这个字，首先浮现在脑海中的是涌向海岸的波浪，以及向水池中投入石子后，向四周扩散的水波波纹。考虑到海浪的大小，或许可以列举出涟漪、大浪、海啸等词语，即便人们没有看到海浪，应该也能想象到潮声。 日常听到的声音是由空气振动产生的波，如风声、叶子摩擦声、雷鸣及喷气式飞机的轰鸣声等。根据大小可以将声音分为微小的声音、大的声音、刺耳的声音等；而根据频率还可以将声音分为低频声和高频声等；此外，还有清脆的声音和噪声等。对声音的感知除了与声音的强度及大小有关，还与包含在声音中的其他频率成分有关。 除了声波，还有电磁波及地震波，光也具有波的性质。这些波根据外在表现，分类的方法也不尽相同。例如，波纹及弦的振动是肉眼可见的，但电磁波、声波、地震波等波是无法直接看到的。可见光的波长处于红外光与紫外光之间，其波长可以通过颜色的不同来区分。虽然声音是可以听到的波，但是声波又分为可听声、次声波及超声波。在考虑传输介质时，能够在真空中传播的是光波及电磁波，而声音是在空气及固体等弹性介质中的振动，因此不能在真空中传播。 在表达波的周期性及反复性时，使用的是频率及波长等概念。可听声一般分布在20Hz～20kHz的频率范围内，超声波是指20kHz以上的高频声(图2.1)。 图2.1 可听声的频率范围 电磁波根据频率及波长的不同可以进行如图2.2所示的分类。中波到超短波可以应用到收音机及电视中，极超短波可用于手机等设备，微波及毫米波被专用于通信领域。光的波长比电磁波更短(图2.3)。利用该特性，可生产半导体的曝光装置等。X射线及γ射线可用于医疗领域。 图2.2 电磁波的频率及波长 图2.3 光、X射线、γ射线的波长 波基本上可以划分为横波及纵波。波的行进方向与振动方向呈直角(垂直)的波称为横波，波的行进方向与振动方向同向(平行)的波称为纵波。例如，用手上下摆动绳子，绳子的上下运动形成振动，并向绳子的末端传递(图2.4)。又如，观察波纹可以发现波在水面上下变动，向水平方向扩散(图2.5)。这些波通过传递波的介质(绳子及水)上下运动，而并非沿着波的行进方向移动。不管是绳子还是波纹，相对于波的行进方向，运动都是垂直的，这种波是横波，弦乐器的弦的振动也是横波。电磁波通过电磁感应，在电场及磁场交替