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在會議大廳，人們希望語音流暢、清晰可聞；在音樂廳，人們希望余音繞梁、三日不絕；到了劇院影院，人們希望聲效逼真、身臨其境……

不同的建筑場所需要不同的音質(zhì)設(shè)計，相應(yīng)的就需要與之匹配的吸聲設(shè)計。而提到吸聲結(jié)構(gòu)，就繞不開中國現(xiàn)代聲學的重要開創(chuàng)者和奠基人——中國科學院院士、中國科學院聲學研究所（以下簡稱聲學所）研究員馬大猷。

1966年，馬大猷提出微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)想，后來將其理論分析發(fā)表在《中國科學》期刊上。這一理論后來在國際上掀起了一場吸聲材料革命，無數(shù)研究者紛紛加入微穿孔板的研究與應(yīng)用中。這也成為了中國現(xiàn)代聲學邁向國際的關(guān)鍵一步。

如今，在人民大會堂等重要建筑中，隨處可見微穿孔板結(jié)構(gòu)的身影。

1?火箭發(fā)射噪聲問題亟待解決

11月的戈壁灘，寒風凜冽、沙礫漫天。

在甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，年已半百的馬大猷帶著3位年輕科研人員，拉起被凍硬了的電纜線，小心布設(shè)著一臺戶外傳聲器，將其安置在距發(fā)射架50米外的地方。

隨著“點火”的一聲令下，火箭起飛，轟鳴聲不絕于耳。同時，整個發(fā)射試驗過程的聲音都被錄音機錄了下來。

1965年，研制我國第一顆人造衛(wèi)星的計劃得到中央專門委員會批準，稱為“651工程”，中國科學院負責衛(wèi)星和地面跟蹤系統(tǒng)的研制。因為馬大猷此前曾參與中國科學院衛(wèi)星研制“581任務(wù)”，所以這次的衛(wèi)星聲環(huán)境實驗工作由他承擔。

發(fā)射人造衛(wèi)星離不開運載火箭，而火箭的噪聲又不可避免。發(fā)射時，高聲強的噪聲會造成火箭蒙皮聲疲勞，損壞儀器設(shè)備。當時，國外已有不少由此引發(fā)的事故。馬大猷等人這次西行，正是為了分析研究火箭發(fā)射噪聲，并找到改善辦法。

在發(fā)射基地工作期間，馬大猷了解到，當時發(fā)達國家的戰(zhàn)略火箭部署已從地面轉(zhuǎn)入地下，發(fā)射方式由地面發(fā)射改為地下豎井發(fā)射，由此帶來的噪聲問題更加嚴重。為了長遠部署，需要提前研究井下噪聲的控制方法。

這是一項全新的研究任務(wù)，既沒有現(xiàn)成樣品可供參考，也沒有現(xiàn)場資料可查。國外豎井發(fā)射本身就是為了隱蔽，因此里面什么樣無從知曉。

“發(fā)射基地邀請我們參加不久后的下一次發(fā)射，可馬先生急于開展研究工作，于是在測得聲級做好錄音后，就決定立即返京?！碑敃r與馬大猷同去的聲學所研究員張家騄回憶說。

2?大道至簡

當時，國內(nèi)外普遍采用穿孔板加吸聲材料進行降噪處理。人們在板材上均勻地開一些厘米級的孔，將玻璃棉、礦渣棉等纖維性和多孔性材料固定在板材背后，形成普通穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。

其實，穿孔板本身是一種共振吸聲結(jié)構(gòu)，具有一定的吸聲能力，但在實際應(yīng)用時往往需要依靠吸聲材料增強吸聲效果。

由于空氣具有黏滯性，當聲波經(jīng)過穿孔板的孔時，空氣產(chǎn)生阻力，消耗部分聲波能量。其余的聲波通過大孔進入纖維材料、多孔材料，撞擊到其不規(guī)則表面，產(chǎn)生散射作用，孔洞和孔壁也會引起聲波多次反射和折射，在材料內(nèi)部進行多次傳播和耗散。同時，聲波與孔洞壁面及材料內(nèi)的骨架發(fā)生摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，這會再次消耗部分聲波能量。兩者結(jié)合，能夠有效降低聲波的反射，起到吸聲降噪、改善聲學環(huán)境的作用。

而到了火箭發(fā)射的地下豎井中，這種辦法完全行不通。發(fā)射伴隨著高溫、烈焰、高壓、高濕和腐蝕性氣體，頃刻間就會使這些吸聲材料化為烏有。此外，針對實際應(yīng)用中的不同需求，具體加多少吸聲材料也沒有理論指導，只能憑經(jīng)驗試錯。

從酒泉回京后，馬大猷急于開展吸聲結(jié)構(gòu)研究。一有時間，他就思考：多孔性材料本身就是寬頻帶吸聲材料，何必多此一舉，再加穿孔板？穿孔板有時只是發(fā)揮保護面板的作用。能否一反常規(guī)，使穿孔板本身解決吸聲問題？

馬大猷（右）進行噪聲測量試驗。

馬大猷認為，這在理論上完全可行。如果穿孔板結(jié)構(gòu)的聲阻抗和大氣中的聲阻抗相匹配，不需要另加吸聲材料，也能獲得較好的吸聲效果。同時，為了加寬吸聲頻帶，須盡量降低穿孔板結(jié)構(gòu)的聲質(zhì)量。

研究證明，穿孔板結(jié)構(gòu)的孔徑越大，聲阻抗越小，反之聲阻抗越大，它的聲質(zhì)量就大致只和穿孔率有關(guān)。因此，通過控制孔徑大小和穿孔率，就可以控制其聲阻抗和聲質(zhì)量，進而控制穿孔板的吸聲效果。

經(jīng)過反復的理論推理，馬大猷提出，如果把孔徑減小到絲米（1絲米等于0.1毫米）級，就可以獲得足夠的聲阻抗，使其成為良好的寬頻帶吸聲結(jié)構(gòu)，不需要另加多孔性材料。這就是微穿孔板的概念。

他判斷，在任何板材上打出微孔，都能達到吸聲的目的。

“馬先生常對我們說，‘處理問題要抓住問題的實質(zhì)’‘大道至簡’。”曾跟隨馬大猷長期工作的聲學所研究員戴根華表示，“雖然穿孔板的概念早已有之，但孔徑比較大、板材比較厚?？雌饋硭皇菍⒋罂鬃兂闪诵】祝珜嶋H上，如果沒有對聲學本質(zhì)問題的長期研究和創(chuàng)造性思維，那么是無法想到的?！?/p>

3?“沒想過要任何回報，這是中國科學院的傳統(tǒng)”

理論構(gòu)想有了，接下來就需要實驗驗證。

大家首先在每片10平方米、約1毫米厚的鋁板上，用打磨尖銳的鋼釘一個一個地鉆孔，速度緩慢。后來，研究室一位金工師傅想到，可以用修鞋的縫紉機一行一行地扎，這才使速度有了較大提升。

每當做好了不同孔徑和穿孔率的微穿孔板，馬大猷就會根據(jù)不同聲音環(huán)境，先在駐波管中測量，然后拿到混響室測量。

戴根華回憶：“當年在混響室做實驗時，至少需要3平方米到4平方米的微穿孔板樣品。利用信號發(fā)生器產(chǎn)生聲信號，經(jīng)放大器放大后構(gòu)成一個混響場，而后用電容傳聲器拾取聲信號，再由記錄儀記錄下來，最后通過計算得到樣品的吸聲量和吸聲系數(shù)。”

后來，馬大猷索性帶著團隊成員在聲學所院內(nèi)挖了一個約4米見方、2.5米深的簡易模型井，用水泥將井壁固化，裝上不銹鋼微穿孔板。通過測量裝上微穿孔板前后的混響時間，計算出吸聲系數(shù)。

孔徑0.25毫米、不同孔距的微穿孔板。

就這樣，馬大猷等人分別測試了鋁板、硬紙板、膠木板、不銹鋼板等板材在孔徑0.75毫米，板材厚度1毫米、0.5毫米，每平方米穿3萬個、8萬個孔時的吸聲效果。

他們最終發(fā)現(xiàn)，當不銹鋼板厚1.5毫米、孔徑1毫米、穿孔率為1%到2%時吸聲效果最佳，能夠耐瞬時高溫、耐潮濕、耐強氣流沖擊。而為了達到這“三耐”，他們還在微穿孔板前加裝了孔徑4毫米至5毫米、穿孔率15%的保護性大穿孔板。

后來，馬大猷將其理論分析和實驗驗證形成總結(jié)報告，并對微穿孔板制造過程提出具體建議，上交給相關(guān)部門。微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)投入實際應(yīng)用后，換了特殊板材同樣獲得成功。

1975年，馬大猷將多年成果撰寫成論文《微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的理論和設(shè)計》，發(fā)表在當年復刊的第一期《中國科學》上。

即便推遲了近10年論文才得以正式發(fā)表，微穿孔板理論依然是領(lǐng)先世界的吸聲理論。這一理論的確立，使人們在應(yīng)用時不必進行大量實驗和計算，只需要掌握3個常量，通過一定的公式，便可計算出其他變量。為了便于工程應(yīng)用，馬大猷還把這些計算公式變換成簡易圖表，方便設(shè)計工程師查閱，免去反復運算的麻煩。

“當時我們沒有專利保護意識，公布了原理和做法后，國內(nèi)有許多企業(yè)和工廠生產(chǎn)微穿孔板?！贝鞲A說。

“我們當年對微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)進行技術(shù)攻關(guān)時，根本沒想過要任何回報，這是中國科學院的傳統(tǒng)?！瘪R大猷曾說，“對于國家戰(zhàn)略需求，我們不僅會全力以赴提供技術(shù)支撐，還會無償提供應(yīng)用樣品。國家戰(zhàn)略需求能夠想到我們，就是對我們最大的厚愛?！?/p>

4?改造人民大會堂聲學設(shè)計

提出微穿孔板理論后，馬大猷并未就此止步。后來的幾十年，他都在不斷探索，將其發(fā)展深化。

1983年，馬大猷提出一種直接、簡單測量微穿孔板聲阻抗的方法，比已有方法更為簡便、準確，方便人們準確估計微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的工作性能；1988年，他又進一步提出穿孔聲阻抗公式，簡化微穿孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計。

在高聲強環(huán)境中，穿孔內(nèi)的質(zhì)點速度與聲速相比，可以達到相當高的數(shù)值，因而會影響微穿孔板的聲阻抗和其他特性。1996年，馬大猷基于高聲強環(huán)境下微穿孔板的應(yīng)用研究，提出了改進方法。

最初提出微穿孔板結(jié)構(gòu)理論時，為了打破微穿孔板在實際應(yīng)用中機械加工條件的限制，馬大猷對基本方程中的超越函數(shù)做了近似處理。隨著其應(yīng)用越來越廣泛，1997年，他進一步發(fā)展了微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的準確理論和設(shè)計，使其應(yīng)用潛力進一步提升。

2000年，馬大猷根據(jù)吸聲材料靠聲波通過孔隙與其固體骨架摩擦而損失能量的原理，將微穿孔板吸聲體理論進一步發(fā)展為微縫吸聲體理論，使其構(gòu)造更加多樣化。

2003年，馬大猷進一步討論了微穿孔板吸聲體的吸收帶寬極限……

“馬先生1975年發(fā)表理論，幾十年來對其不斷深入研究，直到80多歲后，他還在不斷發(fā)展、深化理論研究。”馬大猷的學生、聲學所研究員李曉東說，“盡管當年馬先生發(fā)表的是中文論文，但在2000年后其引用率不斷上升。國際聲學大會還設(shè)立專題討論微穿孔板理論?！?/p>

微穿孔板理論在我國各類工程實踐中得到應(yīng)用，其中以人民大會堂最為聞名。

1999年，人民大會堂管理局擬對人民大會堂萬人大禮堂進行維修改造，其中建筑聲學設(shè)計是整體方案的一個重要組成部分。早在人民大會堂建造之初，馬大猷就曾負責其音質(zhì)設(shè)計工作，這次維修改造的聲學設(shè)計任務(wù)，自然落在了聲學所的肩上。

萬人大禮堂不僅容積大，而且接近橢圓，又是穹頂，使原大禮堂混響時間偏長，回聲現(xiàn)象嚴重，語言清晰度偏低。當時，中央領(lǐng)導同志對大禮堂的維修改造有明確指示，要求“大禮堂改造必須保持其原有建筑風貌”。這就意味著，大禮堂容積不變、形體不變、內(nèi)墻與頂“水天一色”風格不變。

因消防要求，改造使用的材料也有明確規(guī)定，即表層材料必須為金屬，內(nèi)層材料必須一級防火。同時，為保證“水天一色”，作為吸聲結(jié)構(gòu)表層金屬穿孔板的穿孔率必須一致。

“這要求我們選用的材料必須以消防安全為中心，而音質(zhì)要比改造前有所改善。這無疑給音質(zhì)設(shè)計工作帶來了相當大的難度?！崩顣詵|說。

在馬大猷微穿孔板理論基礎(chǔ)上，他的學生、聲學所研究員田靜，李曉東等經(jīng)過一年多的聲場模擬、吸聲材料與結(jié)構(gòu)測試、理論計算，正式確定了萬人大禮堂改建音質(zhì)設(shè)計方案。

后來，經(jīng)過會議、大型文藝演出活動等3年多的檢驗，人民大會堂維修改造工程指揮部認為，改造后的萬人大禮堂音質(zhì)有很大改善，原有過長混響時間變短、嚴重回聲現(xiàn)象基本消除，語言清晰度大幅提高。

人民大會堂萬人大禮堂。聲學所供圖

5?挽救德國議會大廳

馬大猷沒有想到，他的微穿孔板理論設(shè)計提出17年后，由于幫助德國挽救了一項重要工程，在國外引發(fā)了微穿孔板研究與應(yīng)用的熱潮。

那是1992年12月，兩德統(tǒng)一后，興建起一座新的議會大廈。為了充分體現(xiàn)開會的透明度，大廈四周全部采用透明玻璃。遠遠看去，大廈的中央議會廳就像個巨大的圓柱形玻璃罩。

“女士們，先生們！”舉行第一次會議時，議長剛說了一句話，會議廳里的擴音喇叭就沒了聲響。會議在全國進行實況轉(zhuǎn)播，人們看到，662位議員憤然離席，回到原議會廳繼續(xù)開會。

要知道，這座新的議會大廈耗資2.7億馬克（約合人民幣13.5億元），檢修人員也并未發(fā)現(xiàn)電源、音響設(shè)備、麥克風的任何問題。這震動了德國工程界，一度成為德國的丑聞。

原來，這座用玻璃圍起來的圓形大廳，有嚴重的聲聚焦現(xiàn)象。在議會廳里講話時，聲音被四周密度極大且表面光滑的玻璃墻壁不斷反彈回來，又集中到大廳中央——設(shè)置講臺、話筒、喇叭的地方，使計算機控制的擴聲系統(tǒng)自動鎖閉。

后來，相關(guān)部門找到了德國弗勞恩霍夫建筑物理研究所。當時，恰逢查雪琴等幾位中國學者在該研究所訪問交流。查雪琴想到馬大猷關(guān)于微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的論文，隨即將該理論付諸實踐，在鋁板上鉆孔做實驗，最終發(fā)現(xiàn)，測量得到的數(shù)據(jù)與馬大猷公式給出的理論計算吻合。

查雪琴等經(jīng)過幾個星期的研究和測量工作，在本地一家小廠支持下，拿出了樣品——在每平方米5毫米厚的有機玻璃上，打出3萬個孔徑為0.8毫米的微孔，形成透明的微穿孔板。他們最終解決了議會大廳的聲學難題，在德國工程界被傳為佳話，德國《圖片報》等媒體對此進行了專題報道。

后來，為表彰馬大猷在建立微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計理論方面取得的成就，德國弗勞恩霍夫協(xié)會授予馬大猷金質(zhì)獎?wù)拢⒂筛诙骰舴蚪ㄖ锢硌芯克C發(fā)阿爾法（ALFA）獎和1萬馬克獎金。

2021年，國際噪聲控制工程大會評選出7項百年噪聲控制發(fā)展史上的里程碑式工作，微穿孔板結(jié)構(gòu)的理論與設(shè)計就是其中之一。

如今，聲學所的科研人員們，站在馬大猷等前輩的肩膀上，潛心研究、勇于創(chuàng)新，不斷拓展著微穿孔板結(jié)構(gòu)的理論與應(yīng)用邊界。

李曉東說：“我們已經(jīng)在微穿孔板理論研究與工程設(shè)計中取得多項成果，到現(xiàn)在還在不斷激發(fā)它的應(yīng)用潛能，相信未來會取得越來越多的原創(chuàng)性突破！”

（原載于《中國科學報》?2024-07-01?第4版?專題）