08 纷扰之音 Sound out of Place（第2页）

在有些情况（不幸的是这种情况非常罕见）下，噪声是高度规则的，由一个或几个频率组成，并且只有在一个小而明确的位置上会引起麻烦。这时，主动噪声消除（ANC）是非常有效的方法。ANC的工作原理是声波由压缩波和稀疏波组成。在压力图（见图1）中，这一点很明显，因为这条线先高于中点，然后低于中点。如果在第一个声波上叠加第二个声波，使得在原声波受到压缩的每一点上，新声波都具有同样幅度的稀疏度，这样就会产生完全的静音，声波的能量就会完全转化为热能。然而，在实践中，这只能在非常有限的区域内实现，例如飞机驾驶舱、一些汽车的驾驶员头部区域，还有（可能最有用的应用）耳朵保护器的内部空间（见图23）。

图23　主动噪声消除技术

我们已经开发出了许多针对噪声消除的高效技术解决方案，并且所有这些技术都已经被投入应用了。现代交通工具非常安静，比过去那些不能提供强大动力的交通工具相比要安静得多，但这一事实却被如今交通工具的巨大数量掩盖了。但是，我们仍然有必要看看今天的机器是如何变得如此安静的，因为同样的原理在未来也肯定会适用，尤其是在新材料出现的时候。

噪声控制的首要原则是识别和消除噪声源。对目前最重要的噪声源——内燃机（ICE）来说，这是不可能的。噪声是由内燃机内部的爆炸产生的，而爆炸本身就有噪声。然而，正如第3章所解释的那样，我们的听觉系统并不能测量一个声音的总能量，它对4千赫左右的频率反应最强。让内燃机发出声音的频率低于这个频率是可以实现的，主要是调整燃料注入的时间和速度来改变燃料的燃烧过程，从而减少那些高频声音。

在处理了尽可能多的噪声源后，下一步是控制它。这方面，内燃机也很具挑战性，因为内燃机必须与周围的空气相连，吸入氧气并排出废气，而空气正是噪声传播的途径。为了减少噪声的排放，使用消声器是解决之道。枪支消声器其实就是这类东西，但只被用来降低枪击的声音。

消声器的基本原理有两个，大多数内燃机都会同时使用到两者。吸收性消声主要是通过在管道中加吸收剂来实现的，这样，任何不垂直向下传播的波都能转化为热量。那些垂直向下的波也减少了，因为管道内衬也削弱了这些波的能量。但是吸收性消声对低频噪声效果微弱，这时，用反应性消声器效果会更好，比如利用亥姆霍兹谐振器，将其调到最让人讨厌的声音的频率上。因此，这些频率的声音在消声器内部得到增强，它们的能量在那里被吸收。有一些消声器也使用主动噪声消除技术。

在接下来的几十年里，内燃机可能会在很大程度上被电动发动机所取代。从技术上来看，我们无法解释发动机为什么不能达到完全无声，但是一辆汽车在接近行人的过程中不发出声音，这种情况可能是致命的。所以我们会为所有这些场景提供特殊生成的运行和警告声音（这可能对自行车也有价值，尤其是那些没有铃铛的自行车）。然而，这些都不非得是让人不愉快的声音，即使警报声也可以不让人感到惊慌。为了吸引注意力，“嘘”声可以达到同样的效果，却没那么烦人。

另一方面，喷气发动机在可预见的未来可能还会继续存在。在喷气发动机中，噪声的来源并不是燃烧的气体本身，而是当它们从发动机中高速喷出后与相对缓慢的飞机外部空气混合时的效果，由此引起的湍流是几乎所有噪声的来源。为了使混合过程尽可能平缓，人们付出了巨大的努力，让射流产生波纹，在中速空气中形成茧状，从而增大射流的圆周。在这种设计思路上再进一步就不得不严重损失推力了。但也有其他方法可以考虑。有一个想法已取得了一定的成功，即在机翼上方安装发动机。另一个方法是战略上的改变，比如使用飞艇来运输那些并不紧急的货物。

除最慢或最老式的车辆外，所有的车辆都采用了流线型设计，这样既能避免产生噪声，又能提高效率。流线型设计的重点一方面在于找出一个合适的形状，使气流滑过它时不会突然改变方向或速度而导致湍流；另一方面在于制造出光滑的表面。然而，就汽车驾驶员而言，流线型所要处理的空气动力噪声在巡航和高速行驶时仍然是不可避免的。主要的声音来源通常是后视镜和A柱（那些支撑风挡玻璃两侧的柱子）。

对人行道上的行人来说，最大的噪声往往是由轮胎发出的，尤其是在混凝土路面上。低噪声的表面可以在很大程度上解决这个问题。目前可用的最好的沥青层有许多充满空气的孔隙（约占体积的25%），但这样的路面成本高昂，而且不够坚固。另一种效果较差，但更耐用、成本更低的替代方法是使用约2厘米厚的薄沥青层。

曾经，机器的设计者根本不考虑它是否安静，噪声管理只是作为事后的一种补救或不可靠的常规做法（比如在音乐厅地板下拉几根绳子，或在剧院舞台上摆放花瓶）。现在，机器通常经过精心设计和严格制造，能够保持相对安静，不过，工业机械的定期维护和家用电器的仔细安装仍然必不可少。

当噪声无法避免而又无法控制时，下一步就是把它的来源与潜在的受害者隔离开来。一种使用了数千年的方法是分区制。通过立法将产生噪声的活动限制在特定区域，例如远离居民区的工业区。第一个有记录的例子可以追溯到公元前700年左右，当时在爱琴海沿岸的希腊殖民地，锡巴里斯市中心禁止铁匠、木匠、陶工，甚至公鸡进入。

由于历史或地理因素使得分区隔离行不通的时候，设置声音屏障是主要的解决方案。一个只是让人们看不到噪声源的障碍就能减少5分贝的噪声水平，在此基础上，距离每多一米将额外减少1。5分贝。此外，屏障的密度必须足够大，比如每平方米10千克左右就足够了，这样就可以防止很多声音直接穿过它。由于屏障在很大程度上是反射而不是吸收，因此我们还要考虑反射的声音。除此之外，屏障的设计和施工都很简单，结果是可以预测的，成本也相对较低。

一些临时噪声隔离屏障，即隔声屏障（acoustig）十分灵巧，可放置在建筑地盘的四周。小心放置、周全安排，不留下空隙的话，隔音效果将会非常好，在某些情况下减低的噪声可达30分贝。与永久性隔声屏障不同，临时性隔声屏障主要通过吸收来实现降噪。

隔声屏障最大的问题是它们并不让人觉得赏心悦目。这个问题可以通过在屏障和观察者之间引入植被屏障来抵消。如果在噪声和人群之间种植至少10米宽的植被，也有助于减少噪声。低频噪声（约25赫兹）主要是由铺满落叶的地面承担降噪工作，而高频噪声（超过1千赫）主要是通过树叶降噪，树叶的长度是声波长度的一半时效果最好。由于这两个原因，种植一些落叶植物（树和灌木的混合）是必不可少的，而且应当达到尽可能高的高度（高达10米，比这更高的话，从大树枝反射的效果则会降低）。在有风的日子里，植物的簌簌声可以提供另一个额外的好处，即分散人们对噪声的注意力。

在城市公园中，添加自然声源（声景）的方法尤其有效。在这样的空间中，最常见的改善声景的方法是添加喷泉，鸟鸣声（真实的或录制的）也有不错的效果。

安静的家居环境

在所有的空间中，最珍贵的是家，因为家是我们放松和睡觉的地方，同时它也是我们个人空间的延伸。因此，消除居家噪声是控制噪声的首要任务。最好的方法是进行良好的声学设计，包括选择合适的材料，以及正确地安装和维护。对已经建成的住宅来说，良好的声学设计作为改造噪声的方案，更便宜、更美观，也更容易成功。

无论改造与否，减少家中噪声的基本方法很简单，一是阻止噪声进入，二是破坏已经进入的噪声，三是不要再制造更多噪声。声音有三种进入方式：通过入口传播；通过结构传递振动；以及将墙壁、窗户、门、天花板和地板作为通道进行传播。在这三种情况下，我们需要记住的主要一点是外壳的声学性能取决于它最薄弱的部分，就像船体上的一个小孔会使船的水密性能失效一样，双层玻璃房子上一扇开着的窗户也是如此。事实上，由于我们耳朵的对数反应[1]机制，有噪声的情况比有水的情况要糟糕得多。如果我们将船上两个相同的孔中的一个封住，水量将减半。但如果我们把一所房子上两扇相同的窗户中的一扇关上，进入的声音也会减少一半，可是那50%的声强下降所对应的，只是大约2%的响度下降。

防止噪声的第二种方法是双层玻璃窗，因为两个单层玻璃窗构成了很好的分隔。通过结构传播的声音是一个更大的挑战。如果声源在住宅内部，那么可以把那个房间处理成不利于声音传播的结构。但这种改造并不便宜，而且通常要对天花板、所有墙壁、地板及门做同样的处理。

一种廉价、适应性强且有效的解决方案是悬挂带有尽可能多褶皱的厚重丝绒窗帘，但这可能不是最吸引人的方案。如果需要更极致的方案的话，就必须得有专家参与解决了。还有一个显而易见的解决方案是加厚墙壁，要记住，墙体厚度每翻倍一次，声音的损耗只有6分贝（声功率降低约34，但音量只减少40%），这意味着墙要非常厚才能达到理想的预期隔音效果。

一个更好的方法是使用多孔吸收体和多层结构。像玻璃纤维这样的多孔吸收体，高频声波在其中传播时要多次通过其表面，会逐渐因反射而消失。低频波在空气或固体界面反射（声阻抗不匹配的另一个例子），也能用带气隙的嵌板和墙体处理。一个合适的隔音门也是至关重要的。

地板也不容忽视。即使下面没有房间，硬地板在产生走路时的噪声和在整个建筑中噪声的传递方面都很惊人。地毯和衬底对高频声波的隔离非常有效，但在隔离低频声波时几乎毫无用处，因此，如果你家里有一个安装在地板上的扬声器或一个外向的男中音，你就需要一些特别的东西。和之前一样，除了请一位专家帮忙，其实也没有其他更好的选择。

虽然在家里回声很少引起困扰，但公共空间设计中最大的问题就是回声。令人惊讶的是，数千年来，尽管对建筑师、表演者和观众来说，这都是一个棘手的难题，但在1898年之前我们都没有办法量化它。1898年，华莱士·克莱门特·萨宾（WallatSabine）将房间的回声时间定义为声强降至初始水平的百万分之一（-60分贝）所需的时间（见框13）。更有用的计算公式是萨宾推导出的一个基于经验的方程，这个方程允许从房间的大小和形状来计算这个时间，这样建筑师就可以预测回声时间了。

除非事先对问题的根源和周围的环境进行仔细调查，否则在一个特定的噪声问题上无论花费多少心思、金钱和专业知识，结果都将是无效的。如果门常常是敞开的状态，那么即使将普通的门换成隔音门也没用，噪声问题不会被解决。如果车流和人流会通过居民区的街道，那么仅仅对路上行驶车的辆进行限速，这对消减噪声也没什么用。这样整体降噪产生的问题远远超过消除噪声这个问题本身。安装吸声板能够带来的潜在益处必须能与它们同时会造成的视觉冲击相平衡。同样地，试图通过引入人工声音分散公园中的人们对交通噪声的注意，可能会造成更大的反感。把人从开放式办公室转到安静的小隔间可能会降低团队的工作效率。同样，虽然建造良好的房屋可以隔绝噪声，但这必然导致把居民关在里面，也隔绝了自然的声音，产生人际异化。正如戴维·亨迪（DavidHendy）所说：“每当我们退回各自的声音场景……我们彼此成了陌生人。”

更广泛的观点

尽管听觉系统非常重要，但它们的性能对我们而言通常不是生死攸关的问题。不过，对有些水下物种来说，听觉系统却关乎存亡。对许多海洋动物来说声音极为重要，声音在水下的传播意味着一些海洋生物会因噪声的影响而陷入危险，尤其是鲸鱼和海豚。这种影响的范围尚不清楚，但有些影响是极其微妙的。由于鲸鱼通过声音信号与幼鲸交流，母子之间的联系很容易被外来的声音打断，这会导致幼鲸与母亲分开。在另一些情况下，巨大的不熟悉的声音对鲸鱼和海豚的惊吓作用非常之极端，导致它们快速浮出水面，肝脏和其他器官中形成氮气气泡而死亡（潜水员将这种情况称为“减压病”）。

水下噪声污染的成因有很多。除了船舶的声音，声呐系统、爆破和通讯信号都增加了水下生物的负荷。幸运的是，现在人们普遍认识到噪声对动物的影响。事实上，这种情况对潜水者而言危害更大，他们经常面临严重听力损伤的风险（由于这种影响往往与耳朵压力变化的影响相同，因此很难确定问题的严重程度）。

我们在陆地和水下与噪声做的斗争具有跨学科属性和公益性质，所以社会各层的合作至关重要。如果没有世界卫生组织等国际组织、各国政府、地方当局、英国噪声控制协会等专业组织以及公众的积极支持，我们就无法取得成功。能够把所有这些参与者聚集在一起的活动有“噪声行动周”和“国际噪音意识日”。

随着技术的进步，城市的发展，汽车旅行的普及，噪声源的增加，噪声污染已经成为许多人生活中不可避免的问题：无论是通过扬声器有意地、自私地制造的噪声，还是通过发动机和其他硬件不可避免地、无意地制造的噪声。科学可以尽可能地降低噪声，但去除噪声污染必须伴随着教育和立法，以确保噪声被大众视为污染物。

这样，制造噪声对大众而言将不仅仅是恼人而已，它将变得不可接受。虽然这似乎不切实际，但英国在禁烟方面确实发生了与之类似的变化，而且只花了几年时间。这一变化是通过国家和地方政府实施的一系列新法律，以及一个响亮而明确的信息——吸烟会导致严重疾病——促成的。如果我们用同样的方法处理噪声，也能产生彻底的改变。

在所有学科中，与声音相关的受众群体最广泛。通过了解声音，演员、广告商、航空航天工程师、汽车工程师、人类学家、建筑师、艺术家、广播员、建筑商、通信工程师、作曲家、设计师、生态学家、教育家、电子工程师、环境卫生官员、电影制作人、历史学家、海洋生物学家、音乐家、医生、物理学家、勘探者、心理学家、地震学家、社会学家、城市规划者、动物学家和许多其他人的工作效率将得以提升。

到目前为止，声学领域的许多方面都是各自独立的。但是在过去的几十年里，像声音采集、声音研究以及设计更加私密和个性化的媒体系统等方法已经开始汇集来自各个领域的专业知识。这种合作往往受到大多数从业者观念狭隘的阻碍，但与此同时，他们也正在让人们更加清楚地意识到这个主题涉及的广阔范围，以及声音本身所拥有的权利。掌握声音的原理能够带来大量实际的和情感的利益，将声音科学的众多分支交叉融合起来也能够创造许多新的应用场景，并产生新的认知。这样的发展对每个人都有利，对我们所有人来说，未来都值得期待。

全书完

[1]　非线性变化，人耳对响度和频率的实际感受更接近对数变化。