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，即污水、大气污染、固危废还有噪声。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，假如您住的是楼房，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。

 

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。

 

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。

 

 

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。

 

最后，希望在座的同学们能够快快成长，多学习科学知识，如果感兴趣的话，也欢迎加入到我们声学研究的队伍里来。

 

谢谢大家！