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声学所:让世界听见中国的声音
  文章来源:科学时报 发布时间:2005-09-02 【字号: 小  中  大   

为什么在宏伟的人民大会堂里说话不像在山谷里说话那样能听到回声?为什么在高速公路上竖起一块“塑料板”就能把噪声“圈”在公路里?现代化的渔业怎样用声音捕捉游弋在深海里的鱼群?声音中蕴藏的奥秘无穷无尽……

成立于1964年7月1日的中国科学院声学研究所,是由一群探索声音和信号奥秘的人组成的。他们的名字或许鲜为人知,但他们的一项项研究成果,却让人们“听见”、“听懂”了更多的声音。

声学所是国内惟一、也是世界上少有的从事声学领域研究的综合性研究机构,拥有环境声学与噪声控制技术、超声学与声学微系统技术、水声物理与水声探测技术、语言声学与语音信号处理技术、声学制导与数字系统集成技术、数字音视频与宽带网络技术等6大优势学科。在成立后的40年中,尤其是进入知识创新工程以来,声学所在声场声信息和数字信号处理领域承担和完成了大量国家战略性、基础性和前瞻性的研究课题,为我国声学和信号处理技术的发展做出了不可磨灭的贡献,也在国际声学发展史上书写了浓墨重彩的一笔。

初试莺啼:人民大会堂的音质设计

上世纪50年代建造的人民大会堂是世界建筑史上的奇迹,是当时世界上最大的会场,可以同时容纳一万人开会。然而由于空间太大,如果不做任何处理,就会存在严重的回声和混响问题,在里边只能听到各种回声的互相干扰,根本没办法开会。

中国科学院院士、中国建筑声学的奠基人马大猷先生受命负责人民大会堂的音质设计。他采用穿孔板吸声、分散声源等办法,不仅有效解决了大会堂的回声问题,而且使大会堂具有优质的音响效果,使人们可以欣赏各种文艺演出。到目前为止,人民大会堂的声学工程设计仍属世界一流水准。

人民大会堂的音质设计,让世界听到了站起来的中国人的声音,也让世界认识了刚刚起步的中国声学所和中国声学研究。

然而,故事远未结束。

时间步入上世纪90年代中期,地点是德国首都柏林,这一次世界再一次听到了中国的声音。德国政府新建了一个议会大厅,大厅周围的墙是透明的圆形玻璃,设计概念很好,可以保持“政治透明度”。然而,建成后却因为声音聚焦而无法使用。为此,德国政府不得不向全世界的声学家寻求解决办法。最后,根据马大猷先生的微穿孔板理论,用打上微孔的有机玻璃板,解决了这个声学问题,并保持了议会大厅的透明度。“中国人为德国议会大厅打孔”,在国际声学界传为美谈,并掀起了一股研究应用微穿孔板理论的热潮。

环境声学:让噪声远离生活

今天,噪声已经成为人们普遍关注的环境污染问题。早在上世纪70年代,当我国大多数人都还以“马达轰鸣”为迅速发展的标志之一的时候,声学所就率先提出并开始研究环境噪声的污染和控制问题,对北京城区的噪声情况进行了系统的评测,并提出解决方案。

多年来,声学所在大量研究工作的基础上,运用各种方式和途径,积极地呼吁和宣传,终于在上个世纪80年代,使社会各界认识到噪声是一种严重的环境污染问题,必须加以重视。声学所提出并制定了环境噪声的测量评价标准和规范,培训了大量的专业研究和管理人才,并最终促成我国《环境噪声污染防治法》的颁布和实施,形成了比较完备先进的环境噪声污染防治体系,为解决我国日益严重的环境噪声问题做出重要贡献。

声学所不仅在环境声学的理论研究中取得了多项成果,而且研发了一系列的声学结构与材料、降噪设备、噪声测试器件与设备等等。声学所研制的高保真抗噪声耳机,从外表上看与普通耳机没有什么区别,但却可以用噪声来抵消噪声,具有独特的降噪功能,戴上这种耳机,人们在嘈杂的环境中,如飞机、火车上,听广播或者音乐时,再也听不到烦人的“嗡嗡”的声音。

挂靠在声学所的全国声学标准化技术委员会负责国家声学标准的制订、修订。自1980年成立以来,已制订、修订声学方面国家标准130余项,在促进我国高技术产业化发展以及改善人们生活与工作环境方面发挥了越来越大的作用。

声学所的声学计量测试站是声学计量测试方面的国家一级权威机构,有较完整的声学计量测试体系和雄厚的专业技术力量,能承担几乎所有的声学方面的测试校准工作,成立以来,该测试站热忱面向社会提供权威的声学计量和测试服务,为人们生活在远离噪声的世界做出了实实在在的贡献。

水声研究:探测神秘的海底世界

海洋和湖泊占地球表面积的70%以上,是人类生产和生活的重要空间。海洋中蕴藏着丰富的生物和矿产资源,是人类的自然资源宝库。海洋资源的探测和开发一直是人类孜孜以求的目标之一。

然而海底是一片黑暗的世界。在海洋里,水下光波和电磁波都衰减得很快,声是惟一有效、可以长距离传播的能量形式,声波成为获取海洋信息的不可或缺的重要手段。

声学所在长期的水声科学研究工作中,提出并验证了多项独创的理论、技术,其浅海声学研究达到国际公认的领先水平,在海洋声传播、混响、海底散射、声学反演、海洋时变特性对声波传播特性的影响等方面,不仅建立了比较完整的理论体系,而且通过大量的海上试验,获取长期的观察和实验数据,为提出和研制一系列的新概念声呐技术奠定了良好的基础。合成孔径声呐、海底图像设备、高分辨率测深侧扫声呐、鱼探仪、小孔径声呐等海洋探测与信息获取设备的研制成功,为国家海洋资源的开发与经济发展做出了突出的贡献。获得2003年国家发明二等奖的“高分辨率测深侧扫声呐”可以精确绘制海底的地形地貌,达到国际领先水平,可广泛应用于海洋工程、海洋矿产资源开发、油田区域和航道的地形测量、水下管道测量以及海底地形匹配导航系统等方面。声学所东海站研制的鱼探仪可以准确地探测出鱼群的位置,使捕鱼产量大大增加。

声学所声场声信息国家重点实验室长期致力于水声基础理论和应用研究,取得了一系列突破性的成果,连续四届获得优秀国家重点实验室称号。

超声:透视固体物质的火眼金睛

超声波是自然界最重要的波动形式,作为信息的载体,超声波是探测介质内部特性与结构的重要手段;作为能量载体,强功率超声波在辐射传播过程中能够将声能转化为其他形式的能量并可产生多种物理、化学和生物效应,可用于加工处理或医学治疗。

声学所作为国内最早开展超声学研究的单位之一,目前在超声学多个领域的基础研究、应用基础研究以及实际应用等方面,例如固体火箭发动机超声探伤、超声成像、声波测井、浅地层声波勘探、超声清洗、声空化效应、超声医学诊断和治疗、超声探头、医用声学体膜材料等,取得了大量成果,具有从事重大技术项目的能力和较雄厚的技术积累及丰富的经验,在国内形成了独具特色的超声方面的基础、应用基础和技术开发的研究体系。

声波在复杂介质中的传播和声空化效应是国际性的难题和热点问题。复杂介质中声波传播的研究对材料无损检测和评价、地球物理勘探等应用研究领域具有重要理论和应用价值。声空化及其相关效应的研究具有重大理论价值和应用潜力,是许多超声应用的重要机理,它已重新成为超声学科中的最新生长点和跨学科的前沿课题。声学所在本方向承担了3项国家自然科学基金项目,做了大量独具特色的工作,取得了一些有原始创新的结果。

在粘接超声检测方法技术及基础研究方面,声学所经过长达近三十年潜心研究,成功研制出世界上第一台用于多层粘接界面脱粘检测的多通道数字成像超声探伤设备。该套设备攻克了长期以来常规超声检测只能检测一界面脱粘,而无法检测出二、三、四界面脱粘的世界难题,应用声学所独创的匹配共振检测理论,成功解决了六项关键技术并获国家发明专利,设备集检测、成像、多路并行处理和伺服行走机构于一体,灵敏度高、分辨力强、快速检测、自动判读、操作便捷、维护简便,是一项集理论研究、技术发明、设备研制与应用为一体的拥有自主知识产权的重大成果,具有创新性,处于国际领先水平。

语音识别:让机器理解人的语言

语言,是人类交流最便捷最有效的工具,是人类思维的载体。

计算机问世以后,西方最早提出了用计算机处理人类语言的想法。随着时间的推移,产生过很多相关的理论和技术,但迄今还没有取得实质性的突破。让计算机理解人类的语言,成为世界性的难题。

1958年,声学所率先在国内开始了对语言和语音的研究。1979年声学所发明了声码器,第一次在国内用机器语言完成了对汉语发音模式的模仿,获得国家发明二等奖。

在长期语言研究的基础上,声学所黄曾阳研究员独创性地提出了概念层次网络理论,将人们对于语言的理解方法及概念符号化,从语言的深层——概念层面上,把握其脉络性,并进而通过对联想脉络的操纵,完成对自然语言的理解处理。这一理论的最终目标是使计算机能够像人一样进行语言理解和推论,从而实现对信息的自动分类与控制,可以对各种信息存储媒介和传输渠道实时跟踪、分析。目前,课题组已经完善了拥有自主知识产权的概念层次网络(HNC)技术,形成了一套完整的概念基元、句类、语境三层符号体系,使计算机按照人类的语言结构理解人类的语言成为可能。在不断深化基础研究的基础上,研制了网关信息处理系统,实现了单机、网关、监督的三级信息处理;开展了基于HNC理论的短信信息获取平台、有害信息过滤平台等应用开发工作,为进一步拓展形成功能更强大的同类软件产品奠定了坚实的基础。

声学所在语音识别、语音合成和语音编码技术方面,也处于国内技术发展的前列。由原英特尔中国研究院研发团队为主体组建的中科信利语音实验室在“嵌入式语音识别系统”的开发上取得了新的突破,为2008年北京奥运会研发了奥运语音导航系统,可以使计算机“听懂”不同的语言,为参赛运动员和观众及时提供各种帮助。

更关键的是,嵌入式技术研究直接面对市场的需求,在短短的3年内,完成了21项专利成果申请和9项软件著作权登记。“嵌入式语音识别系统”参加了美国国家技术标准局(NIST)主办的2003年语种识别评测,在有MIT等六家世界著名的学术机构参加的评测中名列第三;2003、2004年,该系统在“863”计划有关主题组织的评测中连续两年名列前茅。项目已经得到“973”计划项目和国家广播电视部等方面的专项支持。部分技术在电信、广播、移动通信终端等方面得到应用。

数字系统集成与网络技术:全力参与信息时代竞争

在信息时代,计算机和网络技术的开发是科技竞争的制高点。

声学所一直把面向国际科技前沿、面向国家战略需求作为研究工作的出发点,是国内应用和研究数字信号处理技术最早的单位之一,现在从核心芯片设计,到高性能信号处理板,到数模混合系统,形成了完整的系统集成能力,产品可广泛应用于航天、航空、航海、通信、测量仪器仪表、自动控制等诸多领域,在大型医疗设备开发、振动测量、系统集成、软件无线电、数字图像处理等方面也有极大的发展空间。

声学所在国家“973”计划项目的支持下,成功研制出了我国第一款基于多发射VLIW和SIMD技术的具有可重组结构的高性能微处理器“华威-1”(SuperV-1),此款芯片兼具DSP和CPU功能,是目前国内数据处理能力最强的微处理器。

声学所致力于开发新一代网络技术与设备,与兄弟院所合作,开展了宽带信息网运营支撑环境及接入系统研制、IPv6网络关键技术研究合成与示范系统—有关无线宽带IP接入网关键技术研究、内容管理和分发CDN技术等项目。在研发过程中,在国际上首次完成支持MPEG2 HDTV和MPEG4 ASP及IPv4/v6双栈商用IPTV终端的研制并提供商业服务;首次采用纯IP技术,完成支持有线无线一体化接入,无线接口采用IEEE系列标准,支持移动终端不同地点之间漫游和快速切换,以及有线和无线统一接入认证、授权和计费的系统的研制;首次完成支持IPv6协议,同时支持流媒体和网页的缓存和访问代理、支持适合流媒体内容的ICAP技术的内容分发网络系统的研制。

基于自主提出的宽带信息网络环境的业务流程、管理模式,完成了支持话音、网络电视、视频点播等业务一点认证的运营支撑系统,实现宽带业务内容提供商、内容运营商、网络运营商、接入网络运营商等层次的分账机制,为宽带网络业务健康发展奠定基础,属国际先进水平,处于国内领先地位。在重庆和上海分别建立了示范性应用平台。

微机电技术:将声音带入21世纪

声学微机电技术是声学与微机电技术的结合,是声学发展的又一个机遇。它可以把话筒、耳机等声学器件做成芯片,把助听器做到米粒大小,甚至未来的灰粒也可能是长耳朵的,可以把声音的信号变成无线电信号传送出去。它在移动通信、无线接入网络传感器系统、医疗以及国家安全等方面具有重要应用价值,发展前景十分广阔。

2000年7月,声学所承担了科学院知识创新工程重要项目“声学微机电器件与模块”的研制。2002年,又承担了国家“863”计划项目“硅微麦克风的实用化研究”。经过科研人员几年的努力,已经分别顺利通过了中国科学院高技术局和“863”微机电领域专家组组织的验收。项目成功研制了整体性能达到国际先进水平的“硅微电容传声器”。

声学所通过该项目的实施,提出并阐明了“声学微机电系统”的概念,从而凝练而成一个全新的学科方向——声学微机电系统,在国内首先掌握了硅微传声器的小批量生产工艺。

2004年2月,《科学美国人》发表专文称“声学微机电技术”为“将声音带入21世纪的技术”。

标新立异:于无声处听新声

走进声学所德昭楼,正面墙上镌刻十六个大字——“标新立异,一丝不苟,奋力拼搏,亲自动手”,这是声学所首任所长汪德昭先生生前为声学所拟就的所训。“标新立异”强调的就是创新,而且汪德昭先生把“标新立异”放在了第一位,强调了创新对科研人员的极度重要性。

创新意味着要有怀疑一切、鸡蛋里挑骨头的精神;意味着在真理和权威面前,只能崇尚前者,摒弃后者;意味着要有意识地跳出前人和历史的窠臼,勇于走自己的道路;意味着要有孜孜不倦的探索精神,用开放性的超前思维去研究问题。

声学所人一贯有标新立异、勇于创新的传统。

1937年,当时22岁的马大猷来到美国洛杉矶加州大学,拜声学界最高权威驽特森教授为导师。这时,马大猷的同事博鲁特导出了一个新公式,所有的人都为此祝贺。惟独从小就爱独立思考、喜欢“鸡蛋里挑骨头”的马大猷发现博鲁特的新公式非常繁杂,便思考能否找到更为简单的方法。最后,经过仔细计算,他得出了一个简捷的公式。结果,获得了同学们的热烈掌声,连博鲁特都来向他祝贺,承认这一开创性方法比自己的更为有用。正是凭着独立思考的创新精神,马大猷在后来的科研工作中取得了一个又一个令人瞩目的成就。

1997年,侯自强研究员敏锐地认识到互联网商业化的巨大成功将导致通信体制向IP化演化的体制革命,积极向国家建议发展宽带IP网,直接促成了中国网通的成立,被人们誉为“中国宽带IP网的先驱者”。他在担任声学所所长期间,用开放式、超前的思维,对声学所的现状进行了认真的审视和梳理,发现了声学所在学科、人才和体制方面存在的问题,通过开辟DSP研究方向,大胆提拔年轻科研人才到领导岗位,为声学所的进一步发展打下了良好的基础。

黄曾阳研究员原来的科研方向是水声,后来对语言模型产生了浓厚的兴趣,并提出了创新的想法,于是就转做语言研究。在研究方向跨度如此之大的情况下,他跳出一般语言研究的模式,独辟蹊径,直接从语言的深层——概念层面上去把握语言规律,独创性地提出了概念层次网络理论。

远大抱负:争当国际声学界的指挥

诞生于1964年的中国科学院声学所,更早的渊源是1958年,声学研究作为国家重点紧急项目被列入国家发展计划,于是成立了声学所的前身——隶属于电子所的三个研究室。

从那一刻起,声学所就把自己的使命和国家的需求紧紧连结在了一起。我国声学事业的奠基人声学家汪德昭、马大猷、应崇福三位先生先后放弃国外的优裕生活,回到国内,成为这支队伍的领军人物。一百多位来自北大、清华等多所高校的热血青年未及毕业就奔赴声学研究的前线。在当初一无理论指导、二无设备可用的情况下,硬是凭着对祖国、对人民的拳拳之心,艰苦奋斗、奋力拼搏、克服重重困难,艰难地开始了我国声学研究的历程。

老一辈声学工作者这种以天下为己任,把国家和民族利益置于首位,为了祖国富强和人民幸福,甘愿作出个人牺牲,默默奉献,无怨无悔的高尚情操,成为声学所的宝贵的精神财富,是声学所文化的最核心的部分,熏陶和激励了声学所一代又一代的后来者。声学所人并不仅仅止步于解决国家问题、满足国家需求,更致力于代表国家水平、参与国际竞争和对话。

“在国际声学界的合唱中,我们要当领唱,不,是指挥!”这是汪德昭先生的心愿,更是声学所几代人的追求。

在承接历史传统的基础上,以田静所长为首的现任声学所班子适时地提出“国家的声学所,国际的科学家”的组织目标,更加深刻地凝练了声学所的使命和目标。

“国家的声学所”,声学所要为国家战略需求服务,立足于解决国家重大的声学问题,为国民经济发展和国家安全做出重大贡献;“国际的科学家”,广大声学工作者在声学研究中要树立高远目标,不断进取,参与国际竞争和对话,使中国声学研究在国际声学界占有重要地位。

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