科技自立自强之路:中国科学家解决重要声学难题

作者: 刘如楠

来源: 中国科学报

发布日期: 2024-07-01 17:00:47

中国科学家马大猷提出的微穿孔板吸声结构理论,解决了从火箭发射噪声到大型建筑声学设计中的多项难题,不仅在国内得到广泛应用,还成功解决了德国议会大厦的声学问题。

在会议大厅,人们希望语音流畅、清晰可闻;在音乐厅,人们希望余音绕梁、三日不绝;到了剧院影院,人们又希望声效逼真、身临其境。不同建筑场所需要不同的音质和吸声设计。而提到吸声结构,就绕不开中国现代声学的重要开创者和奠基人、中国科学院院士、中国科学院声学研究所研究员马大猷。

1966年,马大猷提出微穿孔板吸声结构设想,后来将其理论分析发表在《中国科学》杂志上,这在国际上掀起了一场吸声材料的革命,也成为了中国现代声学迈向国际的关键一步。1992年,根据这一理论,中国科学家解决了德国议会大厦的声学难题。如今,在人民大会堂等重要建筑中,随处可见微穿孔板结构的身影。

马大猷的研究起点可以追溯至1965年我国研制人造卫星的计划(“651工程”)开启。发射人造卫星离不开运载火箭,而火箭噪声又不可避免。噪声会使火箭蒙皮出现声疲劳、损坏仪器设备。当时普遍采用穿孔板加吸声材料进行降噪处理,但到了火箭发射的地下竖井中,这种办法完全行不通。

经过反复推演,马大猷提出了“微穿孔板”结构的概念:把孔径减小到丝米级(1丝米等于0.1毫米),就可以获得足够的声阻抗,使其成为良好的宽频带吸声结构,不需要另加多孔性材料。他判断,在任何板材上打出微孔都能达到吸声的目的。

后来马大猷带领着科研人员试验了多种板材、多种厚度和多种孔径的吸声效果,最终发现当不锈钢板厚1.5毫米、孔径1毫米、穿孔率为1%~2%时吸声效果最佳,能够实现“三耐”(耐瞬时高温、耐潮湿、耐强气流冲击)。

1975年,马大猷将多年成果撰写成论文,题为《微穿孔板吸声结构的理论和设计》,发表在当年复刊的第一期《中国科学》上。即便推迟了近10年才得以正式发表,微穿孔板理论依然是领先世界的吸声理论。1999年,人民大会堂万人大礼堂需维修改造,在马大猷微穿孔板吸声结构理论基础上,他的学生们提出了改建音质设计的方案,照此方案实施后,人民大会堂维修改造工程指挥部认为万人大礼堂音质有很大改善,语言清晰度大幅提高!

除了国内工程实践的应用,微穿孔板吸声结构还挽救了德国议会大厦。1992年12月,德国兴建起一座新的议会大厦,为了充分体现开会的透明度,大厦四周全部采用透明玻璃。可是举行第一次会议时,议长仅说了一句话,扩音喇叭就没了声响。当时恰逢查雪琴等几位中国学者在德交流,发现是由于声音被表面光滑玻璃墙壁不断反弹产生声聚焦现象,导致扩声系统自动锁闭。

在马大猷微穿孔板吸声结构理论指导下,她们经过研究和测量,在大厦四周的透明玻璃上打出3万个孔径为0.8毫米的微孔,最终解决了议会大厅的声学难题。

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