海洋声学研究 -海洋声学技术及应用就业前景

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声学是一门专业，对建筑的同行们而言，说到声学首先会想到就是降噪、隔声与减振。其实，声学不至这些，涉及面广，大有学问，不信你看：

（一）

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发展规律和特点

声学是研究声波的产生、传播、接收及其效应的科学，属于物理学的一个分支。声学具有极强的交叉性与延伸性，它与现代科学技术的大部分学科发生了交叉，形成了若干丰富多彩的分支学科。近年来，声学的研究与新材料、新能源、医学、通信、电子、环境以及海洋等科学紧密结合，取得了巨大的进展。例如，声化学方法已成为制备具有特殊性能材料的一种有用技术，声空化所引发的特殊物理、化学环境已为科学家们制备纳米材料提供了重要的途径，可以制备多种形态的纳米结构；超声在医学诊断和治疗两方面都起着重要的作用，高强聚焦超声(HIFU)无创治疗肿瘤技术与传统的手术治疗相比有独到的优势；超声微泡造影剂已广泛用于心肌声学造影、急性局灶性炎症、血栓、肿瘤的诊断及部分良、恶性肿瘤的鉴别诊断以及治疗；水声学在国防军事领域、海洋资源的调査开发、海洋动力学过程和环境监测等方面不可替代等。因此，声学学科已经大大超越了物理学的经典范畴，成为包括信息、电子、机械、海洋、生命、能源等学科在内的充满活力的多学科交叉科学。

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▲大自然中无处不在的声

声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中历史最悠久并且当前仍处于前沿地位的物理学分支学科。现代声学可以追到1877年瑞利出版的《声学原理》，该书总结了19世纪及以前300年的大量声学研究成果，集经典声学的大成，开创了现代声学的先河。20世纪，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备可以产生、接收和利用各种频率、波形、强度的声波，大大拓展了声学研究的范围。现代声学中最初发展的分支是建筑声学和电声学以及相应的电声测量。以后，随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究了听觉，发展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学。

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▲声音合成

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在第二次世界大战中，超声开始广泛用于水下探测，促使水声学得到很大的发展。20世纪初以来，特别是20世纪50年代以来，随着工业、交通等事业的巨大发展，出现了噪声环境污染问题，从而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展。随着高速大功率机械的广泛应用，非线性声学受到普遍重视。此外，还有音乐声学、生物声学。这样，逐渐形成了完整的现代声学体系。下图是美国著名声学家林赛(R.B.Lindsay)1964年提出的声学与其他学科交叉图，基本上是20世纪上半叶的声学总结。现代声学是科学、技术和艺术的基础。

▲声学与其他学科的交叉

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今天，人们研究的声波频率范围为10

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～10

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赫，覆盖17个数量级。根据人耳对声波的响应不同，把声波划分为次声(频率低于可听声率范围，大致为10

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～20赫)、可听声(频率为20赫至20千赫，即人耳能感觉到的声)和超声(频率在20千赫以上的声)。根据声学与不同学科的交叉，声学又可分为若干个不同的分支，主要包括以下几个方面。

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水声学和海洋声学：声学与海洋科学的交叉学科。由于海水引起的传输衰减，电磁波在海水中很难穿透1千米距离。相比之下，声波在海洋中的衰减仅为电磁波的1‰。低频声波在浅海中可传播数百公里，在大洋中可以传播上万公里。海洋不仅蕴着丰富的资源，影响着人类的生存环境，也关系着国家的战略安全。海洋声学研究在探测、定位、通信、导航、海洋监测、海洋地形地貌、地层结构测量、渔业、矿物资源查找、海洋声学测温、声学层析等领域有广泛的应用。我国的水声研究主要以浅海为重点，浅海复杂多变，规律难以把握。近年来我国科学家在浅海声传播理论方面有所突破，对浅海与深海水声物理规律作了系统研究，引起国际上的重视。中国还研制了多种声学仪器，如声学多普勒流速仪、声学相关流速仪、合成孔径声呐、多波束测深仪以及海底地层剖面仪等。水声学和海洋声学发展趋势是与海洋学紧密结合，进行复杂海洋环境下声场理论与实验技术研究：海洋中广泛存在海洋内波、锋面、涡、流、斜坡等海洋现象，研究这些海洋内波等海洋物理现象对声场的影响已经成为水声物理研究的一个重要内容。已有的研究表明海洋孤立子内波可能对声场产生重要的影响。但是目前人们对复杂海洋环境对声场影响的了解还远远不够。

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生物医学超声学：超声学与医学的交叉学科。近几十年来，随着信息科学与生命科学的飞速发展，生物医学超声得到了前所未有的发展。一方面，超声影像新技术层出不穷，以提高诊断的准确性，特别是早期诊断疾病的能力。另一方面，超声逐渐由诊断向治疗领域发展，如高强聚焦超声治疗肿瘤、药物传递及基因治疗等。由于医学超声的发展与提高人类健康密切相关，国内外在这方向的投入非常大，并且基础研究向实际应用的转化非常快，新技术不断出现，超声诊断和治疗水平不断提高。

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▲B超检查插图

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超声电子学：超声学与电子科学的交叉学科。目前，超声电子的研究主要集中在三个方面：声学微电子机械系统(MEMS)、超声电机和声学传感器。声学MEMS已经横跨10赫至10吉赫率范围，由音频、超声频直到微波频。代表性器件分别是硅微传声器、微超声换能器和薄膜体声波谐振器，它们都有重大的军事和民用应用前景。超声电机是利用压电材料的逆压电效应制成的新型驱动器，是多学科交叉的产物，它集超声学、振动学、材料学、摩擦学、电子学和控制科学为一体，需要众多领域合作研究。超声电机具有许多优良特性，特别适合国防装备、航空航天。声表面波(SAW)自其诞生之日起，就被用于信号处理技术，包括滤波、延时、脉冲压缩、相关、卷积等功能，广泛应用于雷达、航空航天、广播电视、通信等领域。

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▲二维声学拓扑绝缘体结构示意

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超声检测和成像技术：超声无损检测利用超声波在介质中的传播特性检测目标的存在，评价目标的特性。与其他常规无损检测技术相比，超声无损检测具有被测对象范围广、穿透力强、检测灵敏度高、目标定位准确、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于在线检测等优点。几十年来，超声无损检测已得到了广泛应用，几乎涉及所有工业部门：钢铁、机器制造、锅炉压力容器、石油化工、铁路运输、造船、航空航天、集成电路、核电等重要工业部门。近年来，超声检测新技术不断出现，如超声相控阵成像技术、电磁超声检测技术、激光超声检测技术、超声导波检测技术等。声成像是用“声波”来“观察”物质世界的成像技术。与光成像相比，声成像有两个主要特点：一个是它不仅可以得到试样的表面像，还可以得到不透明试样的内部像；另一个是声学像是材料的力学像，像的反差反映了材料的力学特性差异。因此，声成像在无损评估材料结构和特性方面是一种非常重要的检测技术。扫描探针声显微镜(SPAM)是近年来迅速发展的新的介观成像技术，它的近场成像特性，使像的分辨率可以突破波长的限制而获得高分辨，实现纳米级空间高分辨率的声成像。

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▲三个船不同时间的时频图

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通信声学和心理声学：声学与生命科学、通信学科的交叉学科。随着高性能计算和网络传输技术的不断发展，声信息传递的需求已远远超出语音内容的传递，如何在接收端真实地还原发送端的所有信息(包括所有的音频信号和声场景特征)已成为信息技术的重要研究目标。通信声学涉及声场计算和预测、信源编解码、声信号处理、声场景分析与重构、心理声学、生理声学、自然语言处理、人工智能等众多研究方向。

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▲贝尔实验室，心理声学实验

生物声学：声学与生物学的交叉学科。广义来说，与生物(包括人类)有关的声发生、传播、接收等均是生物声学的研究范畴，不仅包括解剖学意义上的与生物体有关的声现象，如发声器官的振动机理、生物对声信号的响应机制，也包括神经生理学意义上的声产生与接收。例如，高等生物鸣叫的学习、记忆、控制、反馈过程以及听觉神经系统对声信号分解、分析等。近年来，关注的研究方向包括：①发声机理及其与语音信号处理结合的交叉科学研究；②发声机理与临床医学相结合的交学科研究；③听觉过程中的非线性效应研究；④听觉和发声过程的神经活动研究等多个方向。

▲声学可听化研究

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环境声学：声学与环境科学的交叉学科。随着工业生产和交通运输的迅猛发展，城市人口急剧增长，噪声源越来越多，噪声强度越来越高，人类的生活和工作环境受噪声的污染日益严重。控制噪声，保证建筑物内外的声环境能够满足人们的生活、学习和工作需要，减少噪声对人类的危害，成为环境声学的主要研究内容。环境声学涉及人类自身的主观感觉，因此首先要解决的是符合主观感受的环境噪声的客观评价问题，包括声品质研究和室内音质研究。国内外这方面的研究目前都不成熟，研究目标、研究手段、研究结果的表达形式都不清楚，涉及心理声学、人耳、人脑和传统的客观测量、信号处理等。研究的目标是：建立人对噪声的感受模型，这个模型可能非常复杂，从人耳的信号处理模型一直到大脑的认知模型，得到一个客观模型或者方法能够完全反映人对声音，包括音乐和噪声等的感受。

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地球声学与能源勘探：地球声学是指通过声学的方法探测地球构造，地球的油、气、煤等其他资源的科学技术领域。地球声学研究的内容包括声波的产生、声波在地球介质中的传播、声波的接收和信息处理、声波对地球介质的效应等。地球声学是研究地球构造、评估地球介质中油、气和其他地球资源等各种工程中声学应用的基础。声学方法是人们对地球进行探测的最主要方法，地球声学的声波频段从天然地震段(10赫以下)，人工地震波频段(10～200赫)，井间地震频段(100～1000赫)，声波测井频段(1～20千赫)，井下超声电视频段(100～500千赫)，岩石超声测量频段(200～500千赫)到岩石超声显微镜频段(1兆赫)。地球探测声学所遇到的声学介质是地球介质，其复杂程度是前所未有的。在各个频段内声波的产生和接收涉及声波传感器技术。因此，地球介质声传播理论、地球探测声学传感器技术的发展是地球声学发展的关键。

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▲结合信号和图像处理，利用声学做地质探测

语言声学：声学与语言学、生命科学的交叉学科。语言声学是智能计算机发展和人机对话技术的重要基础性研究方向。要让未来信息社会的“智能”设备“听懂，自然流利说话”并成为人们工作、生活助手，就必须对信息最主要的载体声音和语言进行深入研究。语言声学一个重要的研究方向是人类语音理解与大脑的编解码机理研究，结合脑磁、核磁等现代成像分析方法与脑科学研究、脑临床医学的实践以及听觉机理的理论和实验，研究语音刺激的记忆与理解机理，建立人类大脑的语音理解模型，逐步提高计算机的智能及人机对话的技术水平。

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▲人们几百年来一直致力于发展声学的物理模型，如下图的x轴所示；随着数据量的增大，以数据为驱动的方法也逐渐被运用，如图的y轴。右上角方向就是声学发展的方向：更先进完备的物理模型和大数据驱动的机器学习的结合

声学的核心是声物理学，声学作为一门应用科学，其理论基础在连续介质力学(流体动力学和固体力学)的基本方程确立之后，已经得到充分的发展。但随着声学应用的扩展，将声学的基本理论用于解决各种特定的需求和条件下的声波产生、传播、接收及其效应的机理，仍然存在大量基础性的挑战。例如，随机非均匀质中声波的传播、散射和接收规律的研究仍刚刚起步。随机的不均匀结构在空间分布或时间演化上存在一定的无序性及不可预测性，故该概念包含的外延极广，可用于描述许多重要的物理现象。例如，大尺度地壳或海洋的内部结构、锅炉内部的燃烧反应过程等均可视为典型的随机非均匀媒质。因此，对随机非均匀媒质中波动问题的理论与实验研究有着极其重要的意义，对声学成像、地层分析及海洋探测等硏究领域具有重大的指导意义。

来源：吉林大学物理学院，仅为学习用，如有侵权，请联系删除

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