噪声的消除与应用，超声检测

噪声与超声

1．噪声的消除与应用

听觉是人类最重要的感觉之一，人们对和谐或有一定规律的声音有很好的感觉，但对没有规律可循的声音却很难接受。这种无规律可循的声音通常就认为是噪声。例如用尖锐的硬器物在玻璃上划动时出现的声音是噪声，城市街道上各种机动车辆和建筑场所发出的声音的混合效果是典型的噪声，机场中巨型飞机起飞时发出的声音更是让人难以忍受的噪声。日常生活中，人们厌恶甚至惧怕各种各样的噪声（见图4－1）。但是，随着现代科学技术的发展，人们不但可以利用某些方法有效地降低噪声影响，甚至也能利用噪声以及所携带的能量造福于人类。

在没有全面认识到噪声的本质以前，它已经成为人们普遍关注的环境污染问题。早在20世纪70年代，当我国大多数人都还以“马达轰鸣”为迅速发展的标志之一的时候，声学科学家就率先提出并开始研究环境噪声的污染和控制问题，对北京城区的噪声情况进行了系统的评测，并提出解决方案。

在许多发达国家，例如某些欧盟成员国，其政府都已开始制定法规限制建筑设备、交通工具及飞机的最高噪声，来保护居民免受噪声的干扰。瑞士执行得更严格：除特殊原因之外，禁止飞机在晚上11：30至次日早上5：00之间起飞。

图4－1　耳的结构与音叉振动

噪声不但对人有影响，对其他生物也有影响。科学家发现，不同的植物对不同噪声的敏感程度不一样。人们据此制造出噪声除草器。这种噪声除草器发出的噪声能使杂草的种子提前萌发，这样就可以在作物生长之前用药物除掉杂草，用“欲擒故纵”的妙策，保证作物的顺利生长。

美妙、悦耳的音乐能治病，特别是可以调节人的身心健康，这是已为大家所熟知的事情。但噪声怎么能用于诊病呢？科学家制成一种激光听力诊断装置，它由光源、噪声发生器和电脑测试器三部分组成。使用时，它先由微型噪声发生器产生微弱短促的噪声振动耳膜，然后微型电脑就会根据回声，把耳膜功能的数据显示出来，供医生诊断。它测试迅速，不会损伤耳膜，没有痛感，特别适合儿童使用。此外，还可以用噪声测温法来探测病人体内的病灶。

利用在环境声学理论方面的研究成果，科学家研发了一系列的声学结构与材料、降噪设备、噪声测试器件与设备等。高保真抗噪声耳机，从外表上看与普通耳机没有什么区别，但却可以用噪声来抵消噪声，具有独特的降噪功能。戴上这种耳机，人们在嘈杂的环境中，如飞机、火车上，听广播或者音乐时，再也听不到烦人的“嗡嗡”的声音。

通常所采用的三种降噪措施，即在声源处降噪、在传播过程中降噪及在人耳处降噪，都是消极被动的。为了积极主动地消除噪声，人们发明了“有源消声”这一技术。它的原理是：所有的声音都由一定的频谱组成，如果可以找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相位刚好相反（相差半个周期或相差180°的相位），就可以将这种噪声完全抵消掉。关键就在于如何得到抵消噪声的声音。最好而实际的办法是利用噪声本身的能源，设法通过电子设备将原噪声的相位倒过来。由此看来，这类有源消声降噪技术实际上是“以顽制顽”。

2．超声检测

人耳可以听到20赫～22千赫的音频信号，人说话声音频率范围是300～3 400赫。现实世界中音乐声、风雨声、汽车声，其带宽宽得多，可达20赫到22千赫，通称为全频带声音。

用硬物刻划玻璃，会产生很高频率的声波，这种接近22千赫的声音让人感到心烦而难以忍受。一般把频率在20千赫～25兆赫范围的声波叫做超声波。它是一种机械振动波，能透入物体内部并可以在物体中传播。

超声波是自然界最重要的波动形式之一，作为信息的载体，超声波是探测介质内部特性与结构的重要手段；作为能量的载体，大功率超声波在辐射传播过程中能够将声能转化为其他形式的能量并可产生多种物理、化学和生物效应，可用于加工处理或医学治疗。

超声学在多个领域的基础研究、应用基础研究以及实际应用等方面都有突出的成就，例如固体火箭发动机超声探伤、超声成像、声波测井、浅地层声波勘探、超声清洗、声空化效应、超声医学诊断和治疗、超声探头、医用声学体膜材料等。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等，因此是应用最广泛的无损检测技术。例如，用于医疗上的超声诊断（B超），海洋学中的声呐、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测，工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定等，都是超声波检测技术的典型应用。