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人生最大烦恼是什么?801 万人投票认为这件事比工作不顺、找对象难更烦

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(来源:科普中国)

转自:科普中国

编者按:噪声,是很多人生活中最熟悉、也最容易被忽视的“烦恼”。

装修声、车流声、施工声、机器运转声……这些声音不仅让人心烦,长期暴露在高强度噪声中,还可能影响听力、睡眠、情绪和身体健康。

那么,噪声究竟从哪里来?为什么有些声音会让人感到不适?科学家又是如何通过材料、结构和工程设计,让高铁、城市和生活环境变得更安静的?

今天,让我们跟着中国科学院声学研究所研究员隋富生,从声学角度了解噪声及其控制技术。

隋富生 · 中国科学院声学研究所研究员

大家好,我是隋富生,来自中国科学院声学研究所,所以今天跟大家分享的一定是声学方面的知识。实际上,声学在大国重器里有很多应用,比方说我们声学所参与的“奋斗者”号下潜到海洋深处 1 万多米。在大洋深处,无线电波、电磁波、红外线、激光统统都衰减得非常快,只能靠水声信号来传递信息、进行通讯。

但是今天很特别,我要把话题聚焦在噪声上。为什么呢?因为噪声是大家现在特别关注的事情。我们通常讲有四大公害,即水污染、大气污染、固体废弃物0还有噪声污染。在这四大公害里,目前在城市区域范围内,噪声的投诉现在居于首位。这说明我们都能感受到噪声对我们的影响,它其实无处不在,时时刻刻都有可能发生。

我记得是在 2021 年 1 月份,由虎扑、知乎跟微博三个网站联合举办了一个票选人生十大烦恼事的活动。你们猜猜哪一个位居榜首?我记得有 801 万网民投票,列于人生十大烦恼事之首的是噪声干扰或者说噪声扰民现象,它比工作不顺心、收入少、入托难、上学难,甚至找对象难等带来的烦恼更严重。所以说,噪声值得我们关注,也值得我们好好去研究。


那么说到噪声,噪声本身是一种声学现象。而声学研究的是声音的物理属性。从物理学家的角度来看,声音是一种波动现象,而且是一种弹性波。声音只能在介质里传播,在真空里是不能传播的。比方说,我现在讲话大家能听到,就是声音从我这里沿着空气传播到大家那儿。刚才我举的“奋斗者”号水下的例子,那是声音在水中传播,水也是一种弹性介质。

那么声音可不可以在固体里面传播呢?当然可以。举个简单例子,假如你住的是楼房,要是某一家装修,哪怕这楼房有二十多层、三十多层,即便你住在最高层,也能听到一楼冲击钻的声音,这就是声音沿着固体传播。所以说,声音是一种波,这种波一定得在介质里传播,像液体、气体、固体这些介质都是可以传播声音的。


那究竟什么是噪声呢?这就需要我们对声音做个大致的分类:比如有自然的声音,我们称之为天籁之音。像电闪雷鸣,鸡鸣狗吠。尤其鸟类是运用声音的高手,几乎每种鸟都会发出独特悦耳的声音。还有好多的声音是人造的,比方说乐器的乐音,像小提琴的声音、琵琶的声音,这些都是我们听到的人造的好听的声音。还有一种声音,大概你就不那么喜欢了,我们称之为噪声。

噪声从何而来

那么,我们怎么去分辨噪声呢?或者说区别的标准是什么呢?

其实这个也很简单,我们自己从心理上和生理上就能做出很好的判断。比方说,任何一种声音,只要强度超过一定程度,你就会不由自主地捂上耳朵并远离它。也就是说,当一个声音的强度超出你的耳朵所能承受的程度时,它就是一种噪声,是一种不好听的声音。还有一种声音,是你心理上感觉不舒服,甚至会让你感觉到恶心。我举个最简单的例子,假如你在睡觉,一个蚊子在你耳边嗡嗡嗡地叫,我猜想你就会难以忍受。

不过,有时候对噪声的定义,就是我们认为不需要的声音,这是一种主观上的判断。我再举个例子,乐音是很美妙的,当你想休息的时候,有人在你身边弹钢琴,哪怕弹得再美妙,你也会觉得影响到休息了,这个时候乐声就是噪声。所以说,噪声我们可以理解成不需要的声音,这完全是出自于我们主观上对它的感受所发出的判断。

当然了,从客观上噪声也有一些判断的标准。一般来讲,我们分析听到的好听的声音,它的时频图通常是这样的,我给大家看一下。刚才大家听到的是一段非常美妙的曲子,下面这个图就是它的时频图。那什么叫时频图?其实就是沿着时间的长短,然后按照频率的分布,对声音进行一个分解所呈现出来的图像。

下面请你再听一段另外的声音。我已经把这种噪声调低了,假如是在工厂里听到这种金属切割的噪声会非常非常刺耳。从时频图里大家也能看到,上边音乐声音的时频图间隔均匀、频率范围丰富;但下边噪声的时频图则是杂乱无章的,从频率成分来看也比较混乱。所以说,好听的声音和不好听的声音不但我们耳朵能听到,其实眼睛也能看到它的频率的变化。


当你长时间暴露在超过 90 分贝的强噪声中,会造成不可逆转的听力损失。但其实噪声对人的危害绝不仅限于听力损失,它对我们的神经系统、循环系统、消化系统、内分泌系统都有全面而深入的影响。大家可能都会有这样的感受,有时听到不好的噪声,会心慌、难受、恶心,时间一长还会食欲不振。

在欧盟发布的 2022 年环境噪声报告里,统计了更准确、更详实的数据:在欧盟有 650 万人因噪声失眠,每年有 12000 人因噪声过早死亡,还有每年有 12500 名 7 岁到 17 岁的少年儿童因飞机噪声、公路噪声、建筑施工噪声等引起学习障碍。

既然噪声给人带来这么多的伤害与干扰,那么问题就来了:噪声是怎么来的呢?这是一个很自然的问题。

其实,噪声与人类文明的发展是不可分割的。今天我们拥有了这么多设备和机器,它们可以上天、入地、高速飞行,在给我们提供动力、带来便利的同时,也产生了一个我们不愿意要的东西——噪声。机器功率越大,噪声越强。总之,噪声是我们工业文明的副产品。所以在当今时代,如果我们想要一个宁静的环境,想要再去体会虫鸣鸟叫、鸡鸣狗吠,可能就必须要到一个远离城市喧嚣的地方,去享受自然环境的声音。

那我们能否控制工业文明带来的副产品呢?噪声控制这个话题也就应运而生,这也是我们声学所,特别是我所在的课题组长期做的工作。而且我们越来越发现,噪声控制是一个非常重要的领域。因为好多工业产品到最后竞争时,声学指标成了衡量其是不是能脱颖而出的重要标准之一。

速度与宁静的平衡艺术

比如拿我们日常出行离不开的高铁来说。这些年,我们一直为高铁降噪做技术研发和应用。


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舱室噪声是影响高铁乘坐舒适性的重要指标。那么研究高铁的噪声该从哪个地方入手呢?首先要从噪声的测试开始。


记得 2009 年,武广线(现在京广线的一部分,当时先开通了南段)开通的时候,我们带领学生,跟好多厂家还有中国铁道科学研究院一起,在列车上进行了噪声方面的测试。那时高铁刚建成,噪声其实蛮大的。当时我们在车上布置了很多传感器,在车头、车尾以及车厢内部等不同位置都有布置。传感器的高度有的跟人耳朵的高度持平,还有的跟人坐着的高度一样。


那么通过这些传感器所获得的声音,我们就能知道舱室里面噪声是如何分布的,即噪声在两个车厢的连接处大还是在车厢的中间大。大家凭直觉可能就会感觉到,其实两个车厢的连接处声音会更大,而车厢的中部声音会小一些,毕竟好多声音是从车厢两边传来的。这是为什么呢?因为车厢两边下面有转向架和轮轨呀。


还有一点,我们会在车内进行声品质测试。什么是声品质呢?就是在一个声学环境里,我们不光要考虑噪声的强度会不会超过我们所能承受的阈值,还要考虑人们进行语言交流是不是清晰,有没有混响,会不会让人感到不舒适,这些心理声学因素都会影响声环境的品质。所以这方面的测试我们也要做。你看,我们甚至还设置了一个人工头,通过它来模拟我们对声环境的感受。


接着,我们还会在声源位置进行测试。看左边那张照片,高铁进入运行库后,轨道是架起来的,有一定高度。当我们安放传感器时,人甚至都没有高铁轮子高。右边那张照片是我,我爬到高铁上面,在受电弓那放置传感器,那个地方运行的时候有非常高的电压,所以我只能是在它停下来时去布置传感器,然后让高铁带着这些传感器高速运行。


那么,在我们通过测试之后,找到了高铁几个最为重要的噪声源位置。比方说图中亮点位置,下面是轮轨所在的地方,而轮轨恰好处在两个车厢的连接处附近。上面则是受电弓的位置,受电弓看起来就像是拉着一根“辫子”,你可以把它理解成一根钢管。

为什么这根钢管会产生噪声呢?我讲一个最简单的例子:假如你拿着一根小木棍,就像老师上课用的教鞭,在空中快速挥动一下,会听到“呜”的一声。不过,你挥动教鞭的速度还不算快,而高铁上的受电弓在以高速运行时,就会发出非常非常巨大的气动噪声。所以,这也是我们需要重点关注并着力解决的问题。


现在看这张图,这是我们高铁的一个断面图。从这里我们能够分析出,有多少能量的声音是通过车窗玻璃传入的,有多少能量是从车体结构传入的,又有哪些噪声是从受电弓传入的,也就是图片上所讲的受流噪声。

对于通过车窗玻璃传入的噪声,我们的方法是采用一些技术手段来提高车窗玻璃的隔声效果。而对于从车厢进入的噪声,那我们就要添加足够的吸声材料。总体来讲,我们把噪声源进入高铁舱室的途径都摸清楚后,就可以有目的地、有针对性地采取一些技术措施了,这些措施会落脚在我们研发的一些结构和材料上。


举个例子,比方说我们研发的用于动车组的功能一体化复合材料。大家知道,我们的高铁是全封闭的,不像以前的绿皮火车可以开窗。它封闭起来后,冬天要送暖气,夏天要送凉气,靠空调来调节温度,所以在这种情况下,高铁壁板除了有铝型材之外,还要有保温材料,也要有吸声材料。而且为防止外界声音传入车厢里,还要具备隔声功能,有时候甚至还需要阻尼材料。

所以我们就想,能不能研发出一种材料,把保温、吸声、隔声,甚至阻尼这些功能都整合到一起,调配出一个有效的配比,既能降低材料的厚度,减轻总体重量,又能达到“1+1 大于 2”的综合效果呢?这就是我们研发用于动车组的功能一体化复合材料的初衷和目的。

最终,通过大量的实验,把不同材料进行组合、比对、配比、实验、分析、计算后,我们成功研制出了这样一款复合材料,并且它已经应用在高铁上,取得了比较好的效果。


还有高铁的车头形状,我们现在常常会讲流线型、水滴型、鸭嘴型等等,对这些形状进行优化,都是为了更好地减小气动阻力。而减小气动阻力带来的好处就是能降低气动噪声。在这个过程中,我们也要经过大量运算。来获得一个最优化的车头外形。

在车体的表面,我们还采用一些性能很好的纳米材料,以此减小摩擦。像这样的措施还有很多,比如在受电弓方面,我们会从受电弓的结构以及材料入手,给它装上一些吸声性能更好的材料,这样就能让受电弓在高速运行的情况下,不会发出那么刺耳的声音了。

综上所述,我们在高铁的减震降噪研究过程中,研发了类似上面所讲的一些结构、材料。所以,现在我们再乘坐高铁时,会感觉声音已经比较舒服了,不像 2009 年时噪声那么大,这里面也有着我们做声学技术研发人员的一份小小的贡献。

现在大家知道高铁能跑 350 千米/时,其实,我们已经跟中车集团在研究时速 400 千米/时乃至 400 千米/时以上的高铁。现在的要求是提速但噪声不能增加,这就给我们这些做噪声控制的人员提出了更高的挑战。

讲到这里,我的分享也快要结束了。随着时代进步、社会发展,我们应用在噪声控制方面的技术会越来越多,所研发的结构和材料也会越来越丰富。但是万变不离其宗,首要的一点就是要减小噪声源。如果噪声源的强度降低了,我们运用在噪声控制方面的其他手段,例如隔声、吸声、消声等,所面临的压力就会小很多。

噪声源的降低,可能会得益于下一次工业革命带来的好处,我们对此满怀期待。好比说,现在我们已经逐渐用电动汽车来代替汽油车和柴油车了,开电动汽车的时候,声学效果相对来说会好一些。我们还会不断研发新的结构和材料,目的就是为了给大家营造更好的舒适性体验,同时也能满足环保和安全方面的要求。

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