魏荣爵教授1950年回国任教,1952年院系调整后任南京大学物理系主任。1954年起物理系物理专业开始设立专门化,先成立金属物理专门化,有施士元、程开甲、冯端、王业宁、丘第荣等。1955年成立了声学专门化(魏荣爵)、磁学专门化(鲍家善)、半导体专门化(吴汝麟、熊子敬)。1956年成立无线电专门化(鲍家善)和理论物理专门化。(1955年王子昌教授去北大开设地球物理专门化,副系主任徐躬耦教授调任兰州大学物理系主任,后任兰州大学校长,文革时遭迫害,家人死亡,后来一个人回到南大物理系。)
1955年物理系学生分专门化,1953年入学时100个学生(1949年前物理系学生少,每年约1至4人,1949年后教育大发展,南大物理系新生1951年25人,1952年50人,1953年100人,1954年200人),声学专门化15人。1956年有13人提前毕业,这是因为学生迅速增加,师资不够。那年我们声学专门化学生8月中至9月中在上海生产实习,回来时在学校接我们从下关回学校的卡车上,吴文虬老师宣布蒋谓鑫、龚秀芬和我三位同学提前毕业。那年开学后因师资少,物理实验课等我们报到参加工作后才开始。学校照顾我们,给我们减半工作量,让我们可以有时间把重要课程修完。除了普通物理实验的教学任务外,在声学教研室,安排蒋谓鑫和我排出中级物理实验的声学部分。
五十年代声学有很大的发展,先是解放后北京新建的几个礼堂剧场有明显的声学缺陷,所以魏先生在南大率先开展建筑声学和语言声学的研究。1956年我们在上海生产实习时,在同济大学大教室和礼堂以及上海文化广场进行了混响时间与清晰度关系的初步研究。那时国家急需发展水声,1956年南大除了声学专门化又增加了水声专门化。之后,因为国家对声学人才的需要,北大有了水声,同济大学清华大学有了建筑声学,山东海洋学院有了水声,华南工学院有了电声,科学院新办的大学也设立声学专业,一年水声,一年超声,一年音频声学。
声学教研室除了教学任务外,同时开展研究工作。每周一次学术讨论会,教研室每个成员轮流报告,内容不限,可以是部分研究结果,可以是开题报告,也可以是文献上新的学术动态,形成良好的学术气氛。一次我见到一篇“有源消声”的文章,在报告会上介绍后,大家颇感兴趣。之后,沙家正老师和曹水轩,吴启学和我成立了“有源消声”研究小组,成为音频声学的一个重要研究方向。
音频声学研究需要消声室和混响室两个特殊实验室。消声室是房间六个面接近全吸收,使室内成为“自由声场”,声源发出的声波能自由传播。混响室是界面吸声系数极小,室内空间形成“扩散声场”。1956年,在东大楼半地下室建了个混响室,魏先生要在北大楼507室建一个临时消声室。他带吴文虬、沙家正、蒋谓鑫和我到大方巷附近一家玻璃棉厂选购玻璃棉。玻璃棉不满足要求。魏先生提出用多层布幕共振吸声方法建一个简易消声室。于是沙家正老师指导我用一个20公分直径的铁管做多层布幕共振吸声实验。用了龙头细布、麻袋布、玻璃丝布等不同材料做实验,最后定下用6层龙头细布按实验得到的数据,在100赫芝以上吸声系数大于91%的吸声结构。四壁和顶上就用多层布结构,地面就铺20公分厚的玻璃棉板,1957年建成了一个简易消声室。当然它的自由声场范围不很大,但解决了不少测量问题,除了自己的实验外,还替上海飞乐扬声器做了出口需要的频率响应曲线。
1960年教育部拨专款建南京大学声学楼。那时还在三年困难时期,建声学楼条件也很艰难。虽然当时全市建筑质量评比南大声学楼还算是最好的一类,但用的水泥的标号很低,扫地时会把水泥地面扫出灰尘。窗户是用菱苦土做的,擦窗户时一用劲窗户会掉下来。学校知道后为了防止发生危险,知会二楼以上窗户先不要擦。(后来学校大修声学楼,窗户改用木制的,地面改为磨石子的。)
声学楼中的特殊实验室——消声室、混响室、隔声室是我们要自己设计的。特别是消声室,作为声学室的一项研究项目,如何建成一个具有国际上最高水平的消声室。为了掌握国际情况,沙家正老师和我与同济大学倪乃琛老师共同翻译出版了《消声室译丛》。我们从那些消声室论文中了解到建成消声室最重要的吸声结构的优劣情况,建成后室内自由声场的鉴定方法。我们参观了国内已建的消声室,中央广播电台大楼内技术处的消声室,是苏联援建项目,它的吸声结构是泡沫塑料园锥体,这种材料是不可取的。中科院声学研究所的消声室,是马大猷教授指导南大1958届毕业生屠燄设计建造的,材料是超细玻璃棉。我们注意到可能超细玻璃棉对皮肤有刺激,工人施工时超细玻璃棉没有均匀填塞,这会影响吸声尖劈的吸声效果。
经过这些调查研究之后,我们考量如何用国产玻璃棉制作成吸声特性最好的吸声尖劈。蒋谓鑫设计制作了一个用4cm厚大理石板的方形驻波管,内径40cmX40cm,长6m。在检测时发现有几个频率大理石板发生共振。几种简单抑止大理石板振动的方法都不能很好解决问题。后来搬到新建的声学楼后在大理石板方行驻波管外浇注10cm厚水泥,这样消除了大理石板的板振动,能够对吸声尖劈测量吸声系数。下面的工作就是如何研制最好的吸声尖劈。
我们找到汉中路一家玻璃棉厂,那时还在困难时期,玻璃棉没销路,我们要求他们试制不同纤维直径不同玻璃棉密度的各种样品,制成20公分厚的玻璃棉块,我们再切成尖劈(不同尖劈角度,不同尖部基部比例)测试吸声系数。这样反复实验了一年,最后确定了一种玻璃棉,准备生产吸声尖劈,建成消声室。想到尖劈的尖部有各种原因会损坏,就把尖劈的尖头切掉5公分/10公分测量,其吸声系数几乎不变。于是我们就作切掉10公分尖头的吸声尖劈设计。(吸声尖劈的研究实验由吴启学、谢厥时和我进行,消声室的鉴定由吴启学、胡春年和我进行。)
鉴于国内已建消声室的经验教训,外包施工不能保证质量。那时教育部规定学生教师每学期劳动两周。物理系领导支持消声室建设,安排部分师生劳动参加建设消声室的工作。吴文虬老师是指挥,我安排各个工种的工作:把20公分厚玻璃棉板切割成尖劈形状,将玻璃纤维网格布缝制成吸声尖劈套,将4毫米直径的铁丝拉直下料后焊接成吸声尖劈安装架,把这些部件组装成可以安装的吸声尖劈。切割玻璃棉板是定制了一个手动压机。缝制玻璃纤维尖劈套是买了5台缝纫机,请女同学下料和缝制。铁丝架的制作是干昌明、李有志等8位向仪器厂学了气焊加工而成。其间有一件事要说一下:有一天一位税务局同志来问,说汉中路玻璃棉厂是一家濒临倒闭的小厂,你们怎会给他们一张5万元的支票?我告诉他,我们是货到了再付款的。这里正在制作的吸声尖劈,就是第一批玻璃棉板做的。我们还有两批货,都要货送到验收后再付款。税务局同志看了现场之后就回去了。老师和同学的工作热情使我很感动。玻璃棉纤维接触皮肤会很痒,我买了一批塑料雨衣,让操作玻璃棉的同学穿了工作。但同学们觉得穿了不方便,还嫌热,不穿雨衣工作,回去洗澡换衣服。在安装最后天花板上一个吸声尖劈时,没有工作空间了,似乎无法安装,我想天花板角上少一个尖劈也不影响声场,可以不装。这时磁学教研室胡宏铨老师从挂吸声尖劈的钢架与墙面之间20cm空间爬到顶上伸手把天花上最后一个尖劈挂好。就这样,由物理系师生的辛勤劳作,消声室吸声尖劈的安装顺利完成了。
消声室建成后,要对室内自由声场作出鉴定。鉴定的基本方法是将球面声源(低频中频高频选用不同的声源)置于消声室中心或其他测量时放置声源的位置。测试传声器从球面声源附近向某一方向移动,测量声压级随距离的衰减,与自由声场衰减规侓相比较。在鉴定过程中,发现原来架在中间的一对钢轨,在3.15kHz散射影响很大,严重破坏了自由声场。最后决定去除钢轨。随后鉴定时发现拉紧钢筋网的一排花兰螺丝在6.3kHz有明显的散射破坏自由声场,于是重新施工,将花兰螺丝移到边上吸声尖劈的位置。在完成这些改装之后,对消声室的自由声场做了仔细的鉴定。最后完成全部鉴定工作时已到了1965年下半年,写出鉴定报告已是年底了。
1966年初,我们去如皋参加“四清”,然后“文革”。到1974年我们恢复工作,首先对消声室自由声场重作鉴定,性能完好不变。于是写成《南京大学消声室》论文,刊登在《物理学报》(第24卷第4期,1975年)。之后又总结成书《消声室和混响室的声学设计原理》(科学出版社,1981年)。书中列出了国外几个主要消声室的数据作比较。
说到消声室,美国哈佛大学最早建设(1947年),材料用密度为40公斤/立方米的饱和甲醛玻璃棉,尖劈长144厘米,底20*20平方厘米,净空间8.7*12.5*8.7(米),截止频率70赫。后来美国国家标准局在1972年建了一个截止频率最低(50赫)的消声室,净空10*6.7*6.7(米),材料用玻璃纤维,劈部密度48公斤/立方米,基部密度17.6公斤/立方米,尖劈长167.6厘米(全世界最长),空腔10.2厘米,底61*61平方厘米。
德国哥丁根大学在1953年建了较大面积的消声室,净空14.5*(8.25-10.55)*5.15(米),材料为密度150公斤/立方米的玻璃纤维块,尖劈长90厘米,空腔12厘米,底13*40厘米,截止频率80赫。
丹麦生产全世界最好的测试传声器,每个国家都用它作为标准传声器。丹麦技术大学在1968年建了个净空12.1*9.7*8.5(米)的消声室,材料用玻璃纤维,尖劈密度120公斤/立方米,尖劈长145厘米,空腔5厘米,底30*30平方厘米,截止频率60赫。
苏联全苏物理技术和无线电研究所在1961年建的消声室和日本通用电讯研究所在1959年建的消声室,其品质与上述几个消声室比要差一些。
我们在1964年建成的消声室,净空11.4*7.8*6.7(米),用酚醛胶合玻璃纤维棉板,纤维直径15-20微米,密度90公斤/立方米,尖劈长1米,空腔20厘米,总长120厘米,底40*40平方厘米,截止频率65-70赫。我们做了尖劈角度与吸声特性关系的一系列实验,得到了尖劈最佳角度的选择。因此,从吸声尖劈总长度与截止频率的关系来看,我们的设计是最好的。
南京大学消声室建成,论文发表后,国家计量科学院当时没有消声室,就决定将自由场的“声压基准”建立在南京大学(此项工作由陶錦天、赵其昌负责),同时在成都计量分院建高海拔地区的“声压基准”。成都计量分院建一个和南京大学一样大的消声室,并派人来南大声学所参加自由场声压基准的建立,然后回成都计量分院建立那里的声压基准。
消声室建设相关论文的发表和书的出版,带来扬声器性能测试和机器噪声测量的业务。同时不少单位请我们做消声室设计。我们替全国各地设计过30多个消声室。后来一些施工单位以他们有施工经验,可以省掉设计费去拦消声室的建造。而我们是要根据具体情况作出合理的设计。例如一个单位的消声室建在一个空旷的山坡脚下,现在和将来周围没有明显的噪声和振动源,因此我们就省去了隔振设计,简化了隔声设计。
上海内燃机厂利用一个大仓库改造为测内燃机噪声的半消声室。我们采用三层玻璃丝布,按我们在实验室测试的数据,在四壁和天花板上按一定距离铺设,使在100Hz以上,以地面为中心的足够大的空间,满足内燃机噪声测试要求的半自由声场。显而易见,这是一种经济实惠的设计。广东省有个专门做纸盆扬声器的喇叭厂,国际标准测纸盆扬声器有标准障板。扬声器向后辐射的声波会绕过障板影响测试结果。测试距离不同,影响有所不同。国际标准障板使这个影响为最小。但在400Hz附近和100Hz以下,这影响是明显的。我们为该厂设计了“无限大”障板,即扬声器在门上安装,门的内面与墙体内面成为一个大平面,测试传声器固定在测试距离上。而被测扬声器的更换就在测试间方便地进行。据此思路,我们为几个单位设计了“半消声箱”。根据被测扬声器的最低频率,设计适当大的隔声箱,一个面在外面按装被测扬声器,其它五个面内装吸声尖劈。测试传声器安装在一金属细管上,金属细管从扬声器对面的箱壁穿出,传声器电缆从管中穿出。半消声箱底座安放在设计好的隔振垫上。这样的半消声箱可以放在较大的房间内,也可放在生产车间的适当地方,使方便地进行产品检测。
(文/孙广荣)