兄弟俩

兄弟俩

方正三中 郑晓东

　　一.超声波

　　超声波一般由具有磁致伸缩或压电效应的晶体振动产生。它的显著特点是频率高，波长短，衍射不严重，因而具有良好的定向传播特性，而且易于聚焦。也由于其频率高，故而超声波的声强比一般声波大得多，用聚焦的方法，可以获得声强高达 109W/m2 的超声波。超声波在液体、固体中传播时，衰减很小。在不透明的固体中，能穿透几十米的厚度。超声波的这些特性，在技术上得到广泛的应用。

　　利用超声波的定向发射性质，可以探测水中物体，如探测鱼群、潜艇等，也可用来测量海深。由于海水的导电性良好，电磁波在海水中传播时，吸收非常严重，因而电磁雷达无法使用。利用声波雷达——声纳，可以探测出潜艇的方位和距离。因为超声波碰到杂质或介质分界面时有显著的反射，所以可以用来探测工件内部的缺陷。超声探伤的优点是不损伤工件，可以探测大型工件，如用于探测万吨水压机的主轴和横梁等。此外，在医学上可用来探测人体内部的病变，如“B超”仪就是利用超声波来显示人体内部结构的图像。

　　目前超声探伤正向着显像方向发展，如用声电管把声信号变换成电信号，再用显像管显示出目的物的像来。随着激光全息技术的发展，声全息也日益发展起来。把声全息记录的信息再用光显示出来，就可直接看到被测物体的图像。声全息在地质、医学等领域有着重要的意义。

　　由于超声波能量大而且集中，所以也可以用来切削、焊接、钻孔、清洗机件，还可以用来处理种子和促进化学反应等。

　　超声波在介质中的传播特性，如波速、衰减、吸收等与介质的某些特性 ( 如弹性模量、浓度、密度、化学成分、黏度等 ) 或状态参量 ( 如温度、压力、流速等 ) 密切有关，利用这些特性可以间接测量其他有关物理量。这种非声量的声测法具有测量精度高，速度快等优点。

　　由于超声波的频率与一般无线电波的频率相近，因此利用超声元件代替某些电子元件，可以实现电子元件难以起到的作用。超声延迟线就是其中一例。因为超声波在介质中的传播速度比电磁波小得多，用超声波延迟时间就方便得多。

　　二.次声波

　　次声是频率低于可听声频率范围的声，它的频率范围大致为1Hz～20Hz。

　　由于次声的频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小，因而其穿透力极强，可传播至极远处而能量衰减很小。 10Hz以下的次声波可以传播至数千千米的距离。1983年夏，位于印度尼西亚苏门答腊岛和爪哇岛之间的喀拉喀托火山爆发，火山爆发时产生的强次声波绕地球转了3圈，历时108小时后才慢慢消逝。全世界的微气压计都记录到了它的振动余波。 1986年1月29日，美国航天飞机“挑战者”号升空爆炸，爆炸产生的次声波历时12h53min ，其爆炸威力之强，连远在1万多千米处的我国北京香山中科院声学研究所监测站的监测仪都“听”到了。通常的隔音吸音方法对次声波的特强穿透力作用极微，7 000Hz的声波用一张纸即可隔挡，而7Hz的次声波用一堵厚墙也挡不住，次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土。

　　次声波具有较大的破坏性。强烈的次声波通过固体媒质的传播，会直接破坏建筑物，使其损坏或坍塌。1980年，我国南京某广场的一座大楼施工时，打桩机产生的强烈振动波，把工地附近一家电影院的墙壁震裂，致使这家电影院不得不拆掉重建。高空大气湍流产生的次声波能折断万吨巨轮上的桅杆，能将飞机撕得四分五裂;地震或核爆炸所激发的次声波能将高大的建筑物摧毁;海啸带来的次声波可将岸上的房屋毁坏。

　　次声的频率与人体器官的固有频率相近 (人体各器官的固有频率为3Hz～17Hz，头部的固有频率为8Hz～12Hz，腹部内脏的固有频率为4Hz～6Hz) ，当次声波作用于人体时，人体器官容易发生共振，引起人体功能失调或损坏，血压升高，全身不适;头脑的平衡功能亦会遭到破坏，人因此会产生旋转感、恶心难受。许多住在高层建筑上的人在有暴风时会感到头晕恶心，这就是次声波作怪的缘故。如果次声波的功率很强，人体受其影响后，便会呕吐不止、呼吸困难、肌肉痉挛、神经错乱、失去知觉，甚至内脏血管破裂而死亡。所谓次声波武器就是利用这一原理来对人体产生影响和杀伤作用的一类新概念武器。由于人听不到、看不见、摸不着次声波，所以又有人把次声波武器称之为“无声杀手”、“哑巴武器”等。

　　次声波对人类而言可以说是一把双刃剑。一方面，人们通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制，可以更深入地认识这些现象的特性和规律，例如利用测定极光产生次声波的特性来研究极光活动的规律;通过接收核爆炸、火箭发射火炮或台风所产生的次声波去探测这些次声源的有关参量;许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发生前可能会辐射出次声波，因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件等等。

　　另一方面，次声波对人体是有害的，人类必须防止次声波的污染。让人头痛的是，由于次声波的穿透力极强，几乎没有什么办法能够消除它对人体的危害。人们惟一能做的就是在各种次声波污染物上(交通工具、打桩机等)安装减振器，把它对人体的危害减小到最低程度。

　　三.声音识别技术及其发展

　　人们早就向往着让机器“听话”，我国的《封神演义》和西方的“天方夜谭”都有着这样的幻想，但20世纪50年代人们才真正开始了语音识别的研究工作。当时AT&T的Bell实验室实现了第一个可识别十个英文数字的语音识别系统——Audry 系统。

　　20世纪60年代，计算机的应用推动了语音识别的发展。这一时期的重要成果是提出了动态规划(DP)和线性预测分析技术(LP)，其中后者较好地解决了语音信号产生模型的问题，对语音识别的发展产生了深远影响。

　　20世纪70年代，语音识别领域取得了突破。在理论上，LP技术得到进一步发展，动态时间归正技术(DTW)基本成熟，特别是提出了矢量量化(VQ)和隐马尔可夫模型(HMM)理论。在实践上，实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立语音识别系统。

　　20世纪80年代，语音识别研究进一步走向深入，其显著特征是HMM模型和人工神经元网络(ANN)在语音识别中的成功应用。HMM模型的广泛应用应归功于AT&T的Bell实验室Rabiner等科学家的努力，他们把原本艰涩的HMM纯数学模型工程化，从而为更多研究者所了解和认识。采用ANN和HMM 模型建立的语音识别系统，性能相当。

　　进入20世纪90年代，随着多媒体时代的来临，迫切要求语音识别系统从实验室走向实用。许多发达国家如美国、日本、韩国以及IBM、Apple、AT&T、NTT等著名公司都为语音识别系统的实用化开发研究投以巨资。鉴于中国未来庞大的市场，国外也非常重视汉语语音识别的研究。

　　语音识别系统可有不同的分类方式。

　　(1)根据对说话人说话方式的要求，可以分为孤立字(词)语音识别系统，连接字语音识别系统以及连续语音识别系统。

　　(2)根据对说话人的依赖程度可以分为特定人和非特定人语音识别系统。

　　(3)根据词汇量大小，可以分为小词汇量、中等词汇量、大词汇量以及无限词汇量语音识别系统。

　　以上不同的语音识别系统，虽然具体实现细节有所不同，但所采用的基本技术相似。其基本原理，就是利用实时的信号处理方法，提取语音信号特征，根据机器受过的训练，即所存贮的语音特征模式和必要的语音学、语言学知识，来作出识别和判断。一个典型语音识别系统的实现过程如图所示.

　　简单地说，语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。此外，还涉及到语音识别单元的选取等问题。