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马大猷院士与小孔中的声学智慧

发表时间:2023-01-10 18:36
不管是会议大厅,还是演出剧院,往往是一个地区的标志性建筑,这类建筑不仅要拥有独特的设计风格,还要给人们优良的音质体验。如何实现建筑艺术与声学功能的完美结合是建筑声学研究的重点之一,今天我们就来认识一项“上得厅堂”的声学成果——微穿孔板。



▲ 小孔中的声学智慧

(视频/中国科普博览、中科院声学所)




议会大厅直播事故


1992年,德国波恩刚刚落成的议会大厅是一个圆形的玻璃建筑,这是一个具有空间大、采光好、艺术美等优势的看似完美的建筑。然而在第一次全国直播的议会上,议长刚说了两句话,大厅里就没有声音。这可不是音响设备发生故障,而是由于圆形墙壁引发了严重的声聚焦现象。


什么是声聚焦?


声波入射到凹面上会被集中反射到某一集中区域,导致该区域的声音强度比其它区域大得多,这就是声聚焦现象。北京天坛公园里面的三音石就是声聚焦的典型景观。但是在议会大厅等建筑物内,这种现象绝对不是我们想遇到的。


如何解决声聚焦问题呢?


有人提出布设多孔纤维吸声材料,但纤维吸声材料会影响大厅的透明度,而且存在环保问题;改变圆形建筑结构呢?摸摸钱包也不现实;最终中国学者提出的微穿孔板方案成功解决了这一问题。微穿孔板就是我们今天的主角。


微穿孔板吸声原理是怎样的?


微穿孔板,就是在材料板上打直径小于1毫米的微小孔,并将其安装在与墙体有一定距离的位置上,形成一个空腔。当入射声波频率与微穿孔板的系统频率相同时,便会产生共振现象,板内空气快速振动并与墙面摩擦,将声能转化为内能,从而将声波消耗吸收。

微穿孔板吸声体并非对所有频率的声波都来者不拒,它就像个傲娇的小姑娘,仅可以吸收某一频率范围的声波。但是我们可以通过合理调整孔径大小、孔间距离和空腔厚度将目标频率范围的声波选择性地吸收。

最终查雪琴在有机玻璃板上用激光钻出孔径0.8毫米、孔距6毫米的小孔,每平方米有3万个小孔的方案成功解决议会大厅音质问题,震撼了德国工程界。


微穿孔板的应用


除了在德国议会大厅,我们的万人礼堂人民大会堂中也有它的身影。将微穿孔板安装在穹顶和墙壁上,既打造了水天一色、满天星斗的绝美意韵,又解决了穹顶构造带来的声聚焦问题。人民大会堂这一声学工程的建成使中国的声学研究得到了世界同行的肯定。


微穿孔板理论的提出者是谁?


微穿孔板理论的提出者正是我国声学泰斗马大猷院士,他少年时期便立下科学报国的志向,从北大物理系毕业后赴美留学,在哈佛大学学成后便回国发展我国的声学事业,在环境声学、语言声学等领域提出了许多重要理论,为我国声学科研和教育事业做出巨大贡献。


1966年,马大猷院士承担了两弹一星导弹发射井内的噪声控制任务。因为导弹发射时井内会产生强烈的噪声,足以引起弹体结构的声疲劳和弹内的电子元器件的损害。为降低噪声需要使用吸声材料,且由于井内发射还伴随着高温、烈焰、高压、高湿和腐蚀性气体,因此传统的吸声材料如玻璃纤维等无法使用。


为此,马先生提出了在耐腐蚀的金属板上穿微孔的吸声结构设想。由于微孔具有足够的声阻,不需要另加多孔性吸声材料便可以获得良好的吸声性能。


当时科研条件比较艰苦。为了得到大量的孔径在零点几毫米到1毫米的实验用微穿孔板,研究所的工人师傅甚至拿出自己的缝纫机来加工微穿孔板。除了在混响室内进行吸声特性测量外,马先生还带领科研人员在户外搭建简易测试平台进行井内模拟实验。


当时没有计算机,马先生利用计算尺、手摇计算器对大量的实验数据进行处理和理论分析,终于完成了微穿孔板的研究工作,并将研究成果发表在1975年的中国科学杂志上。


马先生还亲自率领科研人员到导弹发射基地参加微穿孔板井下发射的实际应用试验,取得了圆满的成功。


后来微穿孔板技术在噪声控制工程中得到广泛应用。1992年,我国的访问学者利用透明的有机玻璃微穿孔板吸声结构解决了德国圆形玻璃体透明议会大厅的回声难题,这一成果当时在欧洲引起了轰动,并很快在国际上掀起了一股微穿孔板热。1997年在德国召开了一届无纤维吸声材料的国际学术会议,马先生的这一研究成就获得了德国夫琅和费协会金质奖章和建筑物理所的ALFA奖。


马先生微穿孔板的研究经历体现了老一辈科学家献身科研、坚韧不拔的敬业精神和牢记使命、高度责任感的崇高品德,值得我们每个人学习。

文章来源于中科院声学所公众号

■   编辑:周文佳

审校:王荣泉



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