声学学科现状以及未来发展趋势

第1章 声学学科总论 声学学科现状以及未来发展趋势 程建春1，李晓东2，杨军2 1南京大学声学研究所，南京210093 2中国科学院声学研究所，北京100190 一、学科内涵、学科特点和研究范畴 声学是研究声波的激发、传播、接收及其效应的科学，是面向国家重大需求和经济主战场，且具有鲜明的需求导向、问题导向和目标导向特征的物理学二级学科，其目的是通过解决声学技术瓶颈背后的核心科学问题，促使声学研究成果走向应用. 声学具有极强的交叉性与延伸性，它与材料、能源、医学、通信、电子、环境以及海洋等现代科学技术的大部分学科发生了交叉，形成了若干丰富多彩的分支学科. 今天，人们研究的声波频率范围已从10-4Hz到1013Hz，覆盖17个数量级. 根据人耳对声波的响应不同，把声波划分为次声（频率低于可听声频率范围，大致为10-4～20Hz）、可听声（频率在20Hz～20kHz，即人耳能感觉到的声）和超声（频率在20kHz以上的声，当频率在1000MHz以上时，也称为特超声或者微波声）. 声学研究的对象包括从微纳尺度的电子器件到数千米尺度的大气、海洋、地球. 根据不同的研究对象和使用的频率范围，声学可分为若干个不同分支，如下所述. 1. 物理声学 研究流体和固体介质中线性或非线性声波的辐射、传播、接收及其效应的一般规律的声学分支. 典型的例子是声空化、声辐射压力和声流的研究，尽管在水声学、功率超声和生物医学超声等其他分支也涉及这些物理效应的研究，但在物理声学的范畴内，更多的是研究其普遍性质. 因此，声学学科的各个分支又是相互交叉的，事实上，每个学科分支或多或少都涉及基本的物理问题. 2. 声人工结构 经典声学理论与技术通常使用天然声学材料来实现不同的声场调控功能，进而构建各种声学功能器件. 受限于天然材料自身声学属性，难以实现低频声调控、复杂声场生成及非对称声传输等，而通过引入特殊设计的人工微结构单元来构建声学超材料，可打破天然材料的限制，研制突破常规性能极限的新一代声学器件，拓展声学在工业、生命科学与医学、材料科学和信息通信等领域的应用. 3. 水声学和海洋声学 研究声波在水下的辐射、传播、接收及信息处理，用以解决与水下环境测量、目标探测和信息传输等应用有关的各种声学问题. 声波是目前所知**能够在海洋中远距离传播的波动形式，是探测海洋资源和环境、实现水下信息传输的重要信息载体. 水声学和海洋声学涉及海洋学、地球科学、计算机、电子技术、信号处理、人工智能、材料科学、机械制造等多个学科. 4. 结构声学 研究结构、流体和声场相互作用的一个声学分支，属于力学与声学交叉研究范畴. 不仅与船舶和水中兵器相关，而且还涉及飞机、汽车、建筑、化工和海洋工程等诸多领域，其主要任务是建立激励-结构振动-声场耦合系统的基本力学和声学关系，研究和分析不同载荷作用下弹性结构耦合振动和声辐射的特征和规律，为结构声学设计及振动和噪声控制提供理论基础和方法. 5. 超声物理与工业检测 聚焦于固体和液体介质中超声信号的激发、传播、获取、处理与评价相关的理论、方法和技术的研究与探索. 超声工业检测的内涵十分丰富，涉及基础物理、材料学、测量技术、信息处理等多个方面，应用领域包括航空航天、石油化工、兵器工业、土木建筑、铁路船舶、核电、能源等，针对各种不同的结构和材料，可对构件的质量和损伤状态实现有效的评估和检测. 6. 生物医学超声研究超声在医学与生物工程中应用的一门新兴学科，是结合声学、生物医学、电子学与计算机技术的综合性工程应用交叉学科. 现代生物医学超声的发展，急需超声传播新规律的认识、超声调控新理论、超声生物效应的新理论，例如对大脑神经信号传导规律的研究、对神经网络结构与微血供循环的研究、对超声生物效应的研究等. 7. 微声学也称为超声电子学或者微波声学，研究多物理场耦合条件下微米尺度及以下波长的高频弹性波激发、检测、传播、与相关微结构的相互作用，以及相关器件设计、加工工艺和应用. 微声学是近代声学中的超声学、压电材料学和微电子技术有机结合的产物，涉及电子学、晶体物理学、先进工艺制造，并可能与生物医学、化学等学科交叉融合. 8. 地球声学和能源勘探 也称为储层声学，是地球物理学、地质学、地理学等高度交叉和融合的学科. 储层声学主要通过研究声波在地下介质或地下储层介质中激发、传播、接收的过程，以及声波与地下介质或储层介质之间相互作用的规律，实现识别地球的地质构造和地质属性、认识地球运动特性、探查资源和能源的空间分布等工程应用，具有极强的应用背景和重大的学术价值. 9. 功率超声 利用超声振动形式的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种改变的过程加快的一门技术. 与工业检测超声不同，功率超声是利用超声能来对物质进行处理和加工. *常用的频率范围是从几千赫到几十千赫，而功率从几瓦到几万瓦. 功率超声研究的主要内容包括大功率或高声强超声的产生系统，声能对物质的作用机理和各种超声处理技术及应用. 10. 语言声学 用声学方法研究与人类语言相关的声音的产生、传递、感知和处理的一门科学，研究人类和计算机如何对言语和语音信号进行处理和分析，包括人类言语产生、分析、感知以及计算机语音感知、识别、合成和理解等. 语言声学是语言学、生理学、心理学、认知科学、计算科学和信息科学等的交叉和融合. 近年来，随着计算机、人工智能、数字信号处理等技术的飞速发展，与语言声学相关的语音分析、处理和应用技术也在不断进步，并逐步走向成熟和商业应用. 11. 环境声学 声学与环境科学的交叉学科. 环境声是指以人为中心的环境中存在的可听声或音频声. 随着工业生产和交通运输的迅猛发展，城市人口急剧增长，噪声源越来越多，噪声强度越来越高，人类的生活和工作环境受噪声的污染日益严重. 控制噪声，保证建筑物内外的声环境能够满足人们的生活、学习和工作需要，减少噪声对人类的危害，成为环境声学的主要研究内容. 12. 声频技术 声频技术是声学领域一个既传统但又具有广泛发展前景的分支. 近年来，随着通信、计算机与互联网、多媒体与虚拟现实以及人工智能技术的发展，声频技术的研究范畴已大大拓展，包含听觉基础科学研究、声音虚拟现实、人工听觉、声场调控和声信息抽取等. 现代声频技术主要研究可听声频段（20Hz至20kHz）声音的物理与感知机理，探索其应用. 13. 生物声学 生物声学介于生物学和声学之间，是一个跨学科的研究领域，除具有生物学的一般特点（比如形态学、解剖学、组织学的特点），还具有物理学的普遍特点，涉及生物学、声学、信息学、计算机科学、仿生学、海洋学等众多学科. 基于生物声学原理的仿生应用引起了世界上声学研究者的广泛兴趣，在水下工程检测、地质勘探、军事需求、科学考察和环境监测等方面有广泛的应用前景. 14. 心理和生理声学 研究声学的物理世界与听觉的感知世界之间关系的专门学问，是关于物理学与生理学如何相互作用以产生声音知觉的一门重要学科. 研究人和动物对声音刺激的生理与心理反应，试图通过建立物理、生理和知觉之间的关系来研究物理和生理如何相互作用以产生知觉. 15. 音乐声学 古典科学中较为发达的学科之一，早期研究集中在乐器方面，如乐器的发声原理、音准、音质改良等. 研究范畴随着世界科学水平提高而不断扩展. 电声学和电子技术的发展使音乐声学研究从模拟时代迅速进入数字时代，电乐器、电子音源、虚拟空间音效、数码播放器、智能录、扩声系统等一系列新的研究项目应运而生. 进入21世纪，生物音乐学、生态音乐学以及人工智能技术又为音乐声学增添了全新的研究内容. 16. 气动声学 研究流动流体或高速运动物体产生声波的声学分支. 1952年，莱特希尔（Lighthill）在《英国皇家学会会刊》上发表了一篇研究湍流发声机理的论文，推导了后来以他名字所命名的方程，人们普遍把这项工作当作气动声学诞生的标志. 作为一门独立的声学学科分支，气动声学在航空领域有十分重要的应用. 北京航空航天大学设有专门的航空气动声学工业和信息化部重点实验室. 17. 大气声学 研究大气声波的产生机制和各种声源产生的声波在大气中传播规律的声学分支. 作为以声学方法探测大气的一种手段，也可看成大气物理的一个分支. 通过自然或人工产生的次声波在大气中传播特性的测定，可以探测某些大规模气象的性质和规律，对大范围大气进行连续不断的探测和监视. 总之，声学在现代科学技术中起着举足轻重的作用，对当代科学技术的发展、社会经济的进步、国防事业的现代化以及人民物质和精神生活的改善与提高发挥着极其重要甚至不可替代的作用. 声学的核心是声物理学，作为一门应用性学科，其理论基础在连续介质力学（流体动力学和固体力学）的基本方程确立之后，已经得到充分的发展. 但随着声学应用的扩展，将声学的基本理论运用于解决各种特定需求和条件下的声波激发、传播、接收及调控，仍然存在大量基础性的挑战. 近二十年来发展起来的声人工结构研究，由于新概念的引入及新效应的发现，使声学学科持续焕发蓬勃生机，并在医学、通信、军事以及工业检测等各个领域发挥重要作用，例如，高精度声学成像、精准超声治疗及高容量声学通信等重要问题的解决都需要以对声波实现精确及高效的操控为基础. 二、学科国外、国内发展现状[1-20] 由学科特点和研究范畴可知，声学的各个分支的研究范围和应用领域十分广泛，各分支之间有的存在交叉，有的却完全不同. 各个分支学科国外、国内的发展现状也有很大的不同，在本书的以后各章中，将按照不同分支学科（甚至不同的研究方向）进行详细的讨论. 本章仅选择若干主要的声学分支进行论述. 1. 声人工结构 声学超构材料在不到二十年的时间里得到了迅猛的发展，国内外的许多课题组在声场人工调控领域开展了大量理论与实验工作并取得了若干重要突破，通过深入研究声波与不同类型的人工结构的相互作用机理，揭示了人工体系中的异常反射/折射、声单向、声隐身等各种反常声学现象，提出了多种实现常规方法难于或无法产生的特殊声波操控的新思路，为传统声学领域中存在的非对称性传输、复杂声场生成、低频声吸收和隔离等基本难题的解决提供了启示. 与电磁人工材料的早期工作主要源于国外的情形不同，中国学者对声超构材料概念的*初提出及该领域的发展做出了重要贡献，完成了一系列原创性工作. 在2000年前后，香港科技大学沈平教授和武汉大学刘正猷教授等首先开展了声学超构材料的研究. 2009年南京大学首次提出并验证了声二极管原理，成功设计制备了**个声二极管原型器件，打破了传统意义上声波仅能对称传输的局限，使声单向操控成为一个备受关注的研究领域. 2015年南京大学在国际上首次提出了人工声学Mie共振超构介质体系，以及用人工结构激发Mie共振的新思想及其调控声波的新方法，这些成果得到了国际同行的广泛关注，国内外许多课题组也在跟踪该方向研究，同时，丰田汽车北美研究院等机构还依据该理论研制了一系列声学器件，例如超稀疏可通风吸收体设计、指向性声信号传感、定向声能辐射、深度亚波长声学天线、微型超强低音扬声器等. 此外，国内学者在基于声学超材料的类量子效应及拓扑声学相关的研究方面已经取得阶段性进展. 相较于其他经典波的拓扑物态研究，国内学者在拓扑声学的研究进展中起到了关键性作用，做出了一系列原创性工作. 因此，我国在声超构材料研究领域具备较高的理论水平及研究能力，与国际先进水平之间不存在明显差距，尤其是在基于声超构材料的低频声场调控、声单向操控等方向上具有显著优势，具有成为“领跑