从美国微软世界上最安静的房间、德国的高铁声屏障、瑞士发明的手碟鼓、推演中国世界上创新的声学科技

从美国微软世界上最安静的房间、德国的高铁声屏障、瑞士发明的手碟鼓、推演中国世界上创新的声学科技

王鸿基1 ,张涛 2, Linda,Di,Wang 3（德）

（1.2宁波瑞祥弘轨道交通设施有限公司  宁波市 315400）（3.德国慕尼黑大学）

摘 要：不论声音dB多少，低于20Hz人就听不见。声屏障变形如漂浮的旗帜时，为NVH流体与固体耦合的自激振动。识器才能知音，harshness在于心性与物性的交织。亥姆霍兹衍射吸声体与共振吸声体无缝连接机理为二胡弦振动通过琴码及阻尼泛音触动膜振动、获共鸣腔。非线性声学设施创新在于将一个乐队的音效用一个装置表现出来进行共振耗能。

关键词：非线性系统的“软” 心性与物性的交织  共鸣腔为“魂” 交换共振理念  

1.微软世界上最安静的消音室、欧洲的高铁声屏障技术过时

1.1微软消音室的吉尼斯世界纪录存疑

微软的消音室，被吉尼斯世界纪录认可的世界上最安静的房间。据其首席设计师Hundraj Gopal介绍，其内部均使用“吸音尖劈”，避免回声，使该消音室的音量达到了-20.3dB。

声音有多“高”指声波的“振幅”有多大，能使这个声音有多“响”。人能听到的声音频率范围为20Hz～20000Hz。吉尼斯验证的-20.3dB没有表示是声学技术数据还是仪表数字？来自哪个频率？就像新生儿要有父母的基本信息一样。而且频段低于20Hz的次声波，不论dB多少，人都听不见，该世界之最没有危害环境与健康的次声波治理信息。

欧洲声学专家Philip Newell在《Recording Studio Design》（消音室设计手册）中指出：如今的消音技术即便吸收99.9%的能量，仅留下0.1%，仍然能够有一个30dB的衰减……；导致欧洲多家银行报道称有超过2万个项目贷款成为坏账。

1.2欧洲的高铁声屏障

图1.1-1为德国K-F（科隆至法兰克福）线城际铁路声屏障全线拆除前的受力录像截图。图1.1-2为我国公开发表的京津城际客运专线对声屏障上部长2m、厚20mm透明板、当列车车头和车尾经过时的分析。图1.1-3为德国现役声屏障。

从NVH技术的角度分析，将德国K-F声屏障图1.1-1，以及京津城际客运专线声屏障图1.1-2顺时针旋转90°，如同无骨架随波逐流漂浮的一面旗帜。缺损悬挂的机体无法进行NVH针对搓衣板路面振动的检测。遗憾这种畸形产品仍在使用。

图1.1-1K-F线声屏障拆除前录像 图1.1-2声屏障透明板分析     图1.1-3德国现役声屏障

1.3问题

事实上，声屏障延着多普勒方向（公路、高铁线路）运动（Z轴），同时沿垂直道路的X轴、Y轴作三维振动。如同延着旗杆升起的一面旗帜迎风飘扬。而旗帜能够迎风飘扬的本质，在于非线性系统的“软”。其变形能力（刚度）跟在空中的形态有关，不稳定性的气动弹性现象为“极限环”震荡，即NVH中流体的能量和固体结构内能互相传输、产生耦合、发生“自激”振动的的“颤振”现象。

特征是在风速到一定动压临界值时，固体结构的某一阶或某几阶模态会发散，吸收了大量空气做功的能量。而越“软”的固体结构，发生“颤振”的动压越低。

2.道路声屏障设计必须弥补现役产品实测中的不足

图2-1为德国K-F线声屏障在拆除前由欧盟委托慕尼黑的一所高校对其振动状态作了详尽的分析。为此，原铁道部重点科技立项的“曲线型金属声屏障”实施过程中也针对我国现役高铁声屏障的振动进行了非接触光学无接触检测。

为了获得我国高铁声屏障破损（如图2-1）的真实数据，国铁重点科技立项利用图像处理、目标跟踪算法测试区域做分析，提取得知振动信号及频谱如图2-2（忽略计算过程）。试验结果可看不同位置做振动信号提取，得到的频谱值一样，都是在10.42（次声波）、21.07、45.77Hz等（低频段）处出现峰值。

图2-1我国高铁声屏障破损            图2-2实测列车通过声屏障时的振动

从提取的振动位移上看（H钢立柱一个像素约0.68mm），最大振动约4个像素，即4×0.68=2.72mm，折算视频拍摄仰角（85°)后，计算结果得到（列车时速250km左右时的冲击）振动位移达到：2.72/cos(85°)=31.21mm （两车相汇时明显感觉的冲击位移）。说明声屏障的设计必须具备应对低频振动的措施。

3.现有声学技术的预测

3.1现有技术的限制

声学是物理学的前沿学科，dB 是根据听力正常的人所能听到的声音大小设定，这个值每增加 10就相当于声音强度增加10倍。所以当不同频率的声音响度一样，其强度不一定相同。

人们对声音（歌）都有一个“默认底线”，只有正规训练才能把握准确每个节拍里的小律动（如揉弦的轻重缓急）。人的绝对音高感（把声音转换成概念）是训练出来的，超过12岁便失去可能性，说明声学理论与实验科学共存，而且工程声学变量与变量之间的非线性关系受到限制。

3.2声学中老死不相往来的关系

人类模仿大自然的声音有了音乐，而生产、生活又产生了振动噪声。

乐队能够使用各种（机械）声学设施、模拟出大自然的各种声音。如果乐队没有指挥，乐手们各行其道就是噪声。而现实是：

（1）物理声学研究振动的规律;

（2）音乐声学解析和声，包括泛音处理，振幅（揉弦）特点、等信息；

（3）现实的工程声学基本不顾振动、律动的声音序列，包工头各显神威。

可是如今NVH评价已加入“声品质”的概念。而harshness因为受到综合影响因素，以及不同人的感受不同，便各有说辞，见仁见智。

于是人们发现，消除自然界的振动噪声，以及乐队各种乐器的声音，雪地的传统“多孔”条件远远不够，而在噪声三维行波转换成驻波的逆运算中，其超强的实用性使Dirichiet不能进行唯一性处理，越计算越麻烦。理论上：

乐队指挥难度在于交换（旋律）概念——准确（振动产生声音的艺术性）；

工程声学设计在于交换（共振）理念——可靠（将声音还原成振动耗能）。

指挥与乐队是1+1＞2的鲜明实例，他们之间的关系被认为是：唯有人类这样

的高级动物才能在演奏时沟通和驾驭的智慧行为。

与研讨物理声学、工程声学的科技人员不同的是，音乐声学中那些大胡子、披肩卷发、穿破洞牛仔的“大碗儿”能够让听不见音乐的“聋哑人排练舞蹈”，传授趴在地板上感受“振动”，用心灵舞出震撼的“旋律”……让没有声学知识的人跟受到“驻波”是声学设施发声的“根”，进而理解“共鸣”为“魂”。

3.3 Harshness主观感受的反差决定行业发展

自然界的“复合音”有了音色。道路噪声使声屏障的受迫振动，使消声结构上的边界条件与传统消音技术完全不同。主观感受印证手段的差异在于是否与气流压强挂钩，以区别什么是空气动力和什么是空气阻力。

NVH明确敞篷轿车加速试车时开启导流板和扰流板后的“空气围脖”的感觉，才能体会高尔夫球表面阻碍球运动能量的小气旋振动；领悟以柔克刚是技术技巧的升华，不是柔弱，内涵在于“永远不能与对手在一个角度上用力”。

大师强调“识器才能知音”，NVH的harshness深层次是“心性与物性的交织”。演奏《流水》挑三根弦勾一根弦，加上另一只手拨弦时推波助澜的“弦共振”（为根），让内心去宣泄（挣扎）就能激发出琴箱（有生命）的“共鸣”、体会遏制自然界“以四两拨千斤之力的边缘音”的“魂”在哪里。

3.3.1 雾里看花在于聆听中开窍

消音在于靠什么声学设施把声音转化成振动耗能。传说中，女娲发明的簧鸣乐器，伏羲发明的弦乐器，黄帝发明的鼓，至今：声学设施及仿生学；钢琴的缠弦需要大师的传承；萨克斯具有“始振特性”，基本不属于物理声学的范畴，还涉及簧鸣与管鸣的转换。因此在学习小号时，一定让要学习钢琴。

把钢丝两端拉紧后固定（如琴弦），给其一个激励，线上出现的振动波有波长等于线长度的，有1/2、1/3、1/4的各种波振动，为这些波叠加起来的效果。

大师传承的是：声学设施最高级的音是——棉裹铁。于是NVH技术把桨叶的随边加工成锯齿形状，改变成紊流就能消除鸣音，又证明声屏障“不应该是平面的”。

3.3.2 反作用力

音乐界认为只有用于音乐的声学设施才是乐器；其标准音为440Hz。

可是乐器学界认为能够发声即为乐器。

工程界靠的是“逆向仿制”，迅速解决“有无”问题就是创新。

老百姓听歌不管什么基本调式，也没有人会在声学原理上质疑乐队或者声学工程。可是对一个乐队则不然，乐队指挥与乐手磨合过程中，都会出现老道的乐手挑战指挥的能力。通常会用“消音法”试探，即使用不按压，就会发音高低不同声音的土耳其“三角铃”（如图3.3.2）在排练中了解指挥对乐音的分辨底气。

图3.3.2土耳其三角铃

4.全频段消音技术推演

本推演的目的在于：归纳组合已知的各种声学设施对立、统一的功能，打造一部能够让大自然的噪声驾驭的声学设施，按人类规划的程序来消耗噪声的能量。

4.1推演工程声学即需要“理论科学”又需要与之对称的“实验科学”

工程声学的理论支撑与实验科学需要悟性，因为音程品质极端对立又高度统一。挑选一部乐器，除了材质更要对比各频段的“共鸣”。而消音室设计，首先要确定尖劈系统的“截止频率”，如同田径赛场上的“起跑线”，决定你从哪里出发。

“尖劈”系统是惠更斯－菲涅尔的“衍射”原理、子波相干“振动”的叠加”，要通过气动力分析修正，如图4.1-1。保证吸音材料从空气阻抗“逐步”过渡到材料阻抗，激发隔音空间产生“共鸣”。

图4.1-1 气动力分析

4.1.1“微穿孔”的作用

生产中，1mm的冷轧板不能冲出1mm的孔，激光穿孔会导致严重热变形。对于

空气中传播的波速c=340m/s的声波来说：根据公式λ= c/f（波长=速度/频率）：

（1） 面对频率f=340Hz的声波，λ＜1mm的孔径才能发声衍射；

（2） 面对频率f=680Hz的声波，λ＜1mm=0.5mm的孔径能够发声衍射；

（3） 面对频率f＜340Hz（如300Hz的声波，λ＜1.3mm＞1不能发声衍射）。

可见，340Hz的频率为多孔衍射吸音和薄板共振两个系统的临界点。而《消音

室设计规范》说明：吸声可以采用尖劈和薄板结构共振两种吸声方式。

核心：亥姆霍兹衍射吸声体的变量就是穿孔率，其中的衍射作用能够使声音能量从一个相当大面积的区域绕射耗能进入到每一个孔洞中（注意波长）向着材料阻抗不断（逐步）减小传播波速（阻抗匹配）；即通过改变一个声波的速度分量实现吸声效果。手段是在允许气流通过中控制流速、设置陷阱，逐步耗尽声波的能量。

要素：亥姆霍兹（衍射）吸声体与亥姆霍兹共振吸声体无缝连接，在于将亥姆霍兹衍射吸声体通过“阻抗不匹配”驻波振动激发共鸣耗能，使吸音系数曲线接近1（如图4.1.1-1）；并以此触动、激发亥姆霍兹共振吸声体提高共鸣，使吸音系数曲线超过1（如图4.1.1-2，道路噪声频段）、获得连续共振峰。即模仿二胡弦振动通过琴码及（海绵）阻尼泛音过渡到膜振动、获得共鸣腔为魂的“还魂剂”催化剂。

图4.1.1-1吸音系数曲线已经为1               图4.1.1-2吸音系数曲线超过1

4.2推演路线主体

借助上述理论科学和实验科学，2000年我们以多普勒效应（穿孔变化可以改变共振频率）、行驶风为琴弓，利用马大猷的微穿孔板振动及锯琴原理，模拟羽翅、膜质翅和广州塔，利用不同弧度的七个基本音级（高八度）的二次曲线多孔弹性薄板结构共振机构（如图4.2-1），串联成3×8度音程的弹性共振系统，即模拟二胡（如图4.2-2）发明了“曲线型六个自由度弹性共振系统”，满足律动中揉弦、跳

）                                      

图4.2-1模拟羽翅、广州塔          图4.2-2模拟二胡      图4.2-3破坏性试验

弓、擦弦等应力变化，且通过重力破坏性试验（如图4.2-3）以及气动力分析。

通过模仿膜质翅昆虫振动，可得到作用力不同的旋涡气流，促进圆弧曲线薄板屈曲优先振动，使材料内部纤维组织不断得到改善，在工艺设计上尽量适应空气动力学实现自我修复。手段不在于串联得到“合唱”的音程（宽度），而是获得低频段“和声”满足治理噪声的难度在于浓缩各种乐器的原理的要求。

（2）共振腔模拟鼓膜，柔软、有韧性、不透气、具有较低弯曲劲度，在其后面的空气提供阻尼弹簧时，能够把大量的声音能量转化为热能的系统。

（3）声屏障受力与地震波相同，加上轮轨的振动，就会产生低频振动，只有通过地震试验台阻尼对比低频振动测试才能明确是否实现连续共振峰（如图4.2-3），其中弹性阻尼要根据技术要求经过力循环往复试验检测（如图4.2-4）。

图4.2-3低频试验台zuni 对比实验获连续共振峰耗能          图4.2-4力循环往复曲线

（4）共振吸音结构与经破坏性试验的立柱支撑机构（如图4.2-4）通过六爪悬

架、弹性榫卯阻尼连接（如图4.2-5），仿都江堰鱼嘴二八分沙原理（如图4.2-6），以及枪管消音器原理解决立柱支撑机构的声桥，以及根部涡旋振动问题；顶部的突然改变气流传播的绕射线共振，通过跑车的空气围脖、模仿高尔夫球表面限制震源。

图4.2-4立柱破坏性试验图4.2-5六个自由度阻尼共振             图4.2-5仿都江堰无坝分水

4.3从空灵鼓到瑞士发明的“手碟鼓”推演我国创新的声学设施

我国自古就有（不知起源）的“空灵鼓”（无忧鼓），由音舌发音带动整个腔体共鸣的乐器，广泛用于宗教佛学、禅茶养生，如图4.3-1。

2000年瑞士Felix Rohner和Sabina Schärer发明一个金属体多个频率的神奇乐

器“手碟鼓”如图4.3-2，还配有“老外”带耳机加工的图片，如图4.3-3。

在4.2中，我们发明的“曲线型六个自由度弹性共振系统”。与“空灵鼓”、“手碟鼓”一样，都属于变量之间的非线性数学关系的声学设施。我们实际发明了将一个乐队多种乐器的音效、用一个声学设施表现出来共振耗能的声学设施。

图4.3-1空灵鼓           图4.3-2手碟鼓         图4.3-3“老外”手工加工手碟鼓

图4.3-3中“老外”实际在进行的相当于楼宇建成后的装修工序，叫“放音”。中国匠人手工操作声学设施的“放音”时，为了得到一个弹性机体多个不同频率的声学设施，需三组同做、以区分好、中、坏；要不断听该频率的录音，不能带耳机操作。而弹性薄板拉伸有严格的差温要求，用专业铁砧、成套铜锤和木锤，不用铁锤；为了避免拉伸，加工时按鱼鳞轨迹层层碾敲，在200C°左右时需要根据锤击声同步哼唱，以保证手法准确；还要配备振动应力退火设施避免疲劳裂纹隐患。

本推演建立在上述核心技术已经完成技术标准、实现自动化生产的基础上。

参考文献：

1. [英]Philip Newell西班牙人《Recording Studio Design》(2015)

2. 王力《仿生学、工程声学掀开噪声治理的谜团》2021（待出版）

3. （法）Jiao ji《Bionic Trap to eliminate Low-frequency Vibration and Edge Tone》