南京大学音频声学的发展历程-纪念沙家正先生

南京大学音频声学的发展历程一纪念沙家正先生孙广荣【摘要】【摘要】讲述了南京大学音频声学的发展历程，详细介绍了中国电声界的老先辈魏荣爵教授、周衍柏副教授以及当时的青年教师吴文虬、倪乃琛、沙家正、包紫薇、蒋渭鑫、龚秀芬、杜功焕、孙广荣、曹水轩、胡春年、陶擎天、赵其昌、吴启学等人对南京大学音频声学的发展所做的贡献。【期刊名称】电声技术【年(卷)，期】2014(038)009【关键词】【关键词】音频声学；消声室；吸声材料•综述•【编者按】中国著名物理学家，南京大学声学研究所沙家正教授，因病医治无效，于2014年5月14日15时18分在南京逝世，享年85岁。沙家正先生曾任《电声技术》杂志编委，大力支持《电声技术》杂志的发展，在该杂志上发表过十余篇文章。虽然沙家正先生15年前从南京大学退休后，就不再亲自署名发表论文了，但他鼓励他的学生在《电声技术》上发表最新研究成果。如仅他的三位博士生，邱小军、杨军和沈勇，最近5年在《电声技术》发表的论文就达50余篇，内容几乎涉及到电声技术的各个方面。为了纪念沙家正先生，本刊特邀南京大学孙广荣、邱小军、沈勇三位教授撰写了相关文章，简述了南京大学音频声学学科截止到沙家正先生退休前的发展历程，重点介绍了南京大学在电声学和有源噪声控制这两个特色领域在沙家正先生带领下取得若干重要科研成果和研究历程，以此纪念沙家正先生对中国的电声技术和声学教育事业发展所做出的卓越贡献。1引言沙家正老师1953年毕业于南京大学物理系，并留校任教，2001年退休。本文简述南京大学音频声学的发展历程，以此纪念沙老师对南京大学音频声学的发展所做出的贡献。2南京大学音频声学的发展历程1955年初，南京大学成立声学教研室，时任物理系主任魏荣爵教授兼任声学教研室主任，副教授周衍柏、当时是青年教师的吴文虬、沙家正、蔡建华、沈昀和无线电技工方叔范、实验技术人员李德宽是教研室首批成员。同年，包紫薇分配来声学教研室，开展语言声学的研究；这就是南京大学音频声学的起源。下半年，全国物理系的物理专业内分设专门化。南京大学物理系设立声学专门化，建立了中国第一个声学专业。在物理系三年级学生中分出15名学生到声学专门化学习，这是中国第一届声学本科专业的学生，魏荣爵教授讲授《声学基础》课程。首届声学专业的学生名单中有孙广荣、龚秀芬、蒋渭鑫和钱祖文等。沙老师当时与魏荣爵和吴文虬等参加了教材和实验室建设。1956年前后，南京大学在音频声学方面展开了广泛的教学和科研工作。魏荣爵教授首先建议用语噪声测量汉语平均谱。后在此基础上，又提出识别发音的一种新方法。结合生产和国防部门的需要，指导学生研究了噪声对汉语语言通信的掩蔽影响。魏荣爵教授还担任了新建和平电影院的音质设计顾问和江苏省党校礼堂修建的音质设计，开展建筑声学研究。南京大学声学教研室接受了对金门隔海广播需要研究远射程扬声器号筒的任务，开展电声研究。号筒覆盖范围达10km，并首先提出瞬态特性可作为评定扬声器音质的一个重要参量，受到有关部队的表扬。1957年，南京大学声学教研室建立了中国声学界第一个声学实验室，包括将南京大学东大楼的半地下室改建的〃混响室”和在南京大学北大楼205室建成的简易消声室。为了建这个〃简易消声室”，在当时缺乏好的吸声材料的条件下，沙老师指导年轻教师做了大量薄层多孔材料共振吸声的实验，最后选定了用6层龙头细布共振吸声结构，达到在频率100Hz以上，吸声系数大于96%的良好效果。该消声室的顶部和四面墙用此结构，地面用20cm厚玻璃棉，是中国第一个消声室。在此简易消声室内，南京大学声学专业的师生不但完成了自由声场条件下的实验教学，还开展了针对传声器、扬声器的实验研究以及汉语语音的特性研究，并为当时上海飞乐电声厂的出口扬声器的质量认证做了频率响应测试。后来，陆续在南京大学北大楼二楼两间半朝北房间内建立〃阻抗管”（测材料吸声系数）、〃瑞利盘”（测质点振动速度）、直径1m的球壳（研究空气湿度对声吸收的影响），并在北大楼二楼中间楼梯旁砌一小间建立分子声学实验室。沙老师担任实验室主任，除了专业实验的建设外，还排出了测混响时间、测吸声材料、测棒的振动3个新的中级物理实验。1957年，魏荣爵教授代表南京大学参加了在当时东德德累斯顿举行的国际建筑与房间声学学术会议，作了〃多层隔声的理论计算”和〃汉语清晰度和混响时间的关系”两个音频声学领域的学术报告。回国途中访问了莫斯科大学的声学教研室。同年，魏荣爵和余崇智在《物理学报》上发表《国产吸声材料的吸声系数测定的初步报告》，通过论文形式公布了第一批国产吸声材料的实验吸声数据［1］。1958年，南京拟建第一个宽银幕立体声电影院，即曙光电影院，吴文虬指导高年级学生和南京工学院建筑系两名实习学生做声学设计（孙广荣和蒋渭鑫参加），其音质获得了观众包括一些声学家的好评。同年，为开展实时语音分析，南京大学声学研究室研制了中国第一台将语音变成图像的可见语图仪。该仪器1959在声学科学讨论会上展示，能实时显示连续语音的频率、强度、时间的三维图像，推动了中国实验语音学的研究与发展。1959年9月，南京大学举办了声学科学讨论会，中国科学院电子研究所第七、八、九三个声学研究室、同济大学、哈尔滨军事工程学院、华南工学院、中央广播事业局设计所、电子部电视电声研究所、青岛海洋学院、中国科学院语言研究所、建工部建筑物理研究院等几乎所有国内有声学研究的单位参加会议，会议具有首次全国声学会议的性质。1960年，鉴于南京大学声学教研室在培养声学专业学生和研究工作的成绩，为适应发展需要，教育部拨专款200万元在南京大学建造声学楼。时届〃三年困难时期”，获得专款建楼实属不易。按照魏荣爵教授的设想，吴文虬主持了该实验楼的建造，蒋渭鑫负责试验室施工中的声学技术监督。在当时一批声学教研室师生的共同努力和全系师生的支持下，1962年完成了声学楼的基建工程，包括消声室、混响室、隔声室等特殊实验室。其中在筹建南京大学消声室的设计阶段，沙老师在理论上对尖劈尖部的最佳角度进行了研究，给吸声尖劈的最佳设计提供了理论指导。孙广荣、吴启学、谢厥时进行了近一年的实验测量，包括到玻璃棉厂联系不同纤维直径、不同密度、不同尺寸的玻璃棉毡，在实验室特制的低频驻波管内进行不同密度、不同长度、不同尖劈角度的大量实验，得到了截止频率（吸声系数大于等于99%的最低频率）对应的波长与尖劈总长度之比为最大的国际上最好结果。此外，沙老师设计了对尖劈墙进行斜入射吸声系数测量的整套实验装置，在声学楼顶的平台上成功地进行了测试。这些研究结果，对南京大学消声室的质量达到当时国际先进水平起到了重要作用。同期，倪乃琛、沙家正和孙广荣共同编译出版了《建筑声学：消声室专辑》（上海科学技术编译馆出版，声学译丛，总第17号）［2］，系统调研了当时国际各大学、研究单位和企业中的主要消声室的状况，在消声室的设计、建造、鉴定方面，进行了系统的整理和总结，掌握了相关优缺点，对消声室的吸声结构、隔声和减振设计进行了全面系统的介绍。1963年，教育部在全国高校试点，设立首批16个有专职编制的研究室，南京大学的声学研究室是其中之一。声学研究室首任主任由魏荣爵先生兼任。同年，魏荣爵和孙广荣等进行了中山东路307号礼堂修建的音质设计，并在《物理学报》上发表《甘蔗纤维板穿孔吸声的初步研究》一文［3］。1964年，消声室内吸声结构安装完成，经过仔细的鉴定测试，其性能达到国际先进水平。经过10年〃文化大革命”，到1975年复测时，其声学性能丝毫未下降。后经国家计量局认可，南京大学消声室成为中国沿海低海拔地带传声器自由场绝对校正基准（零级标准）的实验室。此后，南京大学声学研究所还为企业、高校、研究部门设计了近百个不同用途的消声室。这些研究和应用的成果获得1978年江苏省科学大会奖和1988年国家教委科技进步二等奖。从1954年开始到1964年，经过十多年的发展，南京大学声学专业初具规模，拥有了独立的声学楼以及性能一流的4个特殊功能的声学实验室：消声室、混响室、隔声室和高噪声室，声学研究室成员数10人。其中先后从事过音频声学领域相关研究的教职员有近30人，包括魏荣爵、吴文虬、沙家正、包紫薇、蒋渭鑫、龚秀芬、杜功焕、孙广荣、曹水轩、冯壁华、范百刚、范鹤年、黄宗华、吴玉奎、沈保罗、邹志仁、邱树业、杨道淳、管喜凯、王佐卿、胡春年、华一满、陶擎天、吴启学、赵其昌、徐世良、宗有泰、莫荣兴等。研究领域包括建筑声学、语言声学和电声学等。此时，音频声学是南京大学声学学科最主要的研究领域。同年，南京大学声学研究室进行科研方向的调查和讨论，部分老师离开音频声学方向，转入分子声学、超声学、水声学、大气声学等研究方向，或者开拓其他新的研究方向。1966年，〃文化大革命”开始，相继10年间，声学研究室许多老师受到隔离审查、批斗等冲击，并参加劳动。1973年，大部分教师恢复工作。1974年，部分科研工作恢复，声学研究室接受了第四机械工业部与中央广播事业局的任务，在电声器件和声表面波器件方面开辟了新的研究方向。电声方面接受了四机部新型压电扬声器研制任务，研制成果为农村广播网做出贡献，并获1978年全国科技大会奖。1974年，魏荣爵、沙家正、杜功焕前往江西吉安电声厂调研。1975年，声学研究室和南京工学院建筑物理教研室共同承担了南京五台山体育馆的建声和电声设计，并开始招收声学专业工农兵学员。之前，沙老师参加了美国声学家P.M.Morse的经典著作《VibrationandSound》的翻译工作。这本《振动与声》1974年由科学出版社出版，迄今仍是声学基础教学的重要参考书［4］。1978年，教育部批准，南京大学声学研究室扩建为南京大学声学研究所。下设音频声学研究室、表面声波研究室、分子声学和生物声学研究室、以及低温声学和量子声学研究室。魏荣爵担任第一任所长，沙家正任音频声学研究室主任。音频声学研究室主要研究方向包括语言声学与信号处理、噪声及其控制、建筑声学、电声学，还开展非线性声学以及自由声场中传声器互易校正、声学标准化等方面的研究工作。1981年，孙广荣、吴启学等对常州市环境噪声进行调查、区划、提出对策的规划工作（太湖流域三城市同时进行）。提出了〃以噪声污染源为中心的调查监测方法”，克服了之前有人提出的〃网格布点监测方法”的误差大、与治理无联系的严重缺陷。他们为常州市红梅新村小区住宅做噪声治理设计：小区南侧紧靠沪宁铁路，最近处只有15m。为此设计了山墙面向铁路的三层楼作为隔声墙，山墙连成一片，为整个小区形成有效的隔声屏障，而三层楼屏障建筑内部也达到了室内环境噪声要求（当然其南部山墙上不开窗，只有双层密封窗）。同年，科学出版社出版了孙广荣、胡春年、吴启学撰写的《消声室和混响室的声学设计原理》［5］，是国内专业声学实验室设计的重要参考资料，目前仍被广泛使用。1984年，声学专业从南京大学物理系分离，和无线电专业组建南京大学信息物理系，吴文虬担任首届系主任，名誉系主任为魏荣爵。这一年，“S3001环境噪声自动测量仪”（胡春年、龚秀芬、孙广荣、吴启学、吴仲淮）获江苏省科技进步三等奖和国家教委科技进步二等奖；龚秀芬、孙广荣、吴启学所著的《噪声测量和控制》由江苏科学技术出版社出版。1986年，陶擎天、赵其昌和沙家正出版了《音频声学测量》（中国计量出版社）［6］，是国内音频声学测量领域的第一部专著。1988年4月6日，沙老师的发明专利（沙家正等，有源抗噪声耳罩及受话器，专利号85103511，申请日1985年4月30日）获得授权，这是南京大学声学首个国家发明专利获得授权。后来，沙老师又有若干发明专利授权，如有源抗噪声送话器（沙家正等，专利号85103507，申请日1985年10月，授权日1988年9月28日）。沙家正、孙广荣和田静合作的〃有源消声”获1988年国家教委科技进步二等奖。〃吸声尖劈研究和消声室设计”（孙广荣、吴启学、范鹤年、沙家正、吴文虬）获1988年国家教委科技进步二等奖°“NR-1混响时间自动测量仪”（胡春年、吴仲淮、孙'广荣、龚秀芬、吴启学）获1989年电子工业部科技进步二等奖。1991年，近代声学国家教育委员会部门开放实验室在南京大学成立，音频声学方向有2个研究室（电声与噪声研究室，主任为沙家正；语声信号处理研究室，主任为余崇智）和1个教研室（声学教研室，主任为曹水轩），共计23位教职员工，其中5位教授，他们分别是沙家正、孙广荣、包紫薇、余崇智、杜功焕。当时，沙老师是音频声学方向唯一的博士生导师。沙老师培养研究生近30名，学生遍布世界各地，在业界和学术界有较大影响和贡献，其中包括曾任中国科学院声学研究所所长的田静和曾任南京大学声学研究所所长的邱小军。1992年，声学研究所领导班子换届，并调整了学科发展方向。所长为张淑仪；副所长为孙广荣和徐柏龄。6个研究室中2个属于音频声学：即电声和环境声学研究室，主任为曹水轩；语言信号处理研究室，主任为杨道淳。当时，全所共有教职工66名，其中学部委员2名，教授15名，副教授和高工29名；在读博士生16名，在读硕士生31名，音频声学的人数占1/3以上。同年，面对发展市场经济和促进科技迅速转化为生产力的改革形势，声学研究所部分教职工转向从事科技开发工作。在音频声学领域，结合信号处理技术的研究，设计和研制了多种数字化音频测量仪器，为测试电声器件及厅堂音质提供了新型、先进、实用的国产设备。声学研究所创办的“江苏中大声学技术工程公司”成立，公司经理为潘立超。1993年，南京大学声学研究所获省、部等各级科技奖共7项，其中音频声学占了4项：〃有源抗噪声耳罩和受话器”（沙家正等）获1993年电子部科技进步一等奖；“SCT-1厅堂声学特性综合测试仪”（胡春年等）获文化部科技进步二等奖和江苏省文化厅科技进步一等奖；〃数字声级计”（赵其昌等）获江苏省科技进步四等奖；“YE6110扬声器特性测试仪”（吴玉奎等）获江苏省科技进步三等奖。1994年，声学研究所获省、部等各级科技奖共4项，音频声学占了3项：〃歌舞厅扩声系统的声学特征测量方法”标准WH-01（胡清亮和赵其昌）获文化部科技进步二等奖；“弹性模量为分布参量情况下扬声器单元的CAD”（陶擎天等）获电子部科技进步三等奖；〃有声地图系统”（地科系和华一满等）获教委科技进步二等奖。1995年4月，近代声学国家重点实验室通过了由国家教委主持的验收，并于同年10月通过国家科委组织的专家评估，被评为B类实验室，建成为〃近代声学国家重点实验室”。同年声学研究所获各级科技奖共4项，全部为音频声学领域：GCY-1型光学综合测试仪”（胡清亮和张仲宁等）获省文化厅科技进步特等奖和文化部科技进步二等奖；“NEF-1电声器件电声参数测试系统”（胡春年等）获电子部科技进步三等奖；〃住宅小区铁路噪声与振动的控制”（孙广荣等）获常州市科技进步二等奖；〃有源抗噪声送受话器”（沙家正等）获国家发明三等奖。同年3月，孙广荣和吴启学撰写的《环境声学基础》由南京大学出版社出版。1996年，南京大学声学研究所承担各类科研项目47项，其中国家自然科学基金项目14项，发表论文200余篇，其中SCI论文50余篇，国际会议60余篇，获国家发明专利2项，获各级科技奖共6项。南京大学声学研究所共有教职工67名，其中音频声学23人。音频声学方向的5位教授是：沙家正、余崇智、孙广荣、曹水轩和胡春年。截止到1996年，南京大学声学学科取得许多科研成果，共有28项获得了国家级和省部级2等奖以上的奖励，其中音频声学方面占到了13项。南京大学音频声学的研究领域和实际生产实践结合紧密，具体包括电声学、噪声控制、环境声学和语声信号处理等，都在国内领先。其中应电声行业协会要求针对电声企业开办电声强化班几乎每年举办一次，已经举办了8届，取得了良好的经济和社会效益。3总结回顾这40多年，可以看到南京大学音频声学的发展轨迹：即南京大学的声学从音频声学起步，逐步拓展到其他声学方向，如物理声学、光声学和超声学等。而音频声学自身也在发展之中，从实验室研究逐渐走向应用，为国民经济的发展做出了重大贡献。在南京大学音频声学发展的历程中，总有沙老师的身影在其中。从最初的青年教师、实验室主任到后期的教授和博士生导师，沙老师是南京大学音频声学发展的核心之一。在学科建设上，沙老师积极参与组织南京大学声学专业的课程建设，先后开设了十多门相关课程，建立了相关课程的教学内容和教材；在科研上，沙老师主要从事声学测量、建筑声学、电声学和振动与噪声有源控制等方面的研究工作，发表论文130余篇，著书2部，获得中国发明专利4项和美国发明专利1项，为中国声学的发展，特别是音频声学领域的科学与技术进步做出了重大贡献。曾获国家科技大会奖1项，国家发明三等奖1项、国家科技进步三等奖1项，国家光华基金二等奖1项，电子部科技进步一等奖2项和国家教委科技进步二等奖2项等多项奖项。具体在电声学方面，沙老师和音频室的师生从各个方面对电声器件及其系统和测试进行了广泛深入的研究。这些研究代表着当时中国电声研究的最高水平，在国际电声领域也有一定影响，为中国成为世界电声大