走进科学
无声世界：消声室里的奇妙体验
概要：
消声室是一个无回音的封闭空间，可以消除环境噪音和混响，只留下原声。它的四面墙上覆盖有玻璃钢楔形，可以吸收声波。站在其中，可以感受到异常的安静。消声室可用于各种声音测试，如混响衰减时间、频率响应、声源定位等，为许多声学创新奠定基础。它“重新调谐聆听感官”，使人更注意日常生活中的声音细节。随着数字孪生等新技术的出现，消声室仍在发挥重要作用。它提供了一个隔离外界干扰的理想环境，用于高精度声学测量和空间音频研究，是声学工程的重要工具。体验消声室后，人会更注意声音在现实世界中的反射和变化。
消声室帮助研究人员研究声音科学。它是这样工作的。
纽约市最安静的地方之一是一间520立方英尺的房间，位于东村的边缘。这间藏在一个沉重的真空门后的小房间，四面都镶嵌着奇形怪状的玻璃钢楔形突起。地板不是硬木或地毯，而是可以行走的薄金属网眼，其下也是玻璃钢楔形结构。这是一个完整的消声室，也是纽约唯一的一个。房间里没有任何秘密，只有寂静。“消声”这个词本身就意味着“无回响”。这是研究声音科学的完美场所。
站在房间里的感觉就像戴着一副巨大的降噪耳机。说话声音更柔和、圆润、安静。有些人进入房间时耳朵甚至会有耳塞感。虽然对我来说房间很安静，但格里伯理工学院机械工程学教授Melody Baglione证明我们并不是处于绝对的寂静中。当我们静立不动时，她手中的声级计下降到大约18分贝(dBA)。当我们在振动和声学实验室外面做同样的测量时，环境噪声水平约为40 dBA。计量单位是分贝表示的声压，但加重了人耳对频率更敏感的部分。
我们体验的声音，是由振动物体传播的压力波。波动使围绕的空气、水或固体颗粒移动。当声波进入人耳时，它们以机械振动的形式穿过鼓膜，再到毛细胞，然后毛细胞会向大脑发送电信号。当这些毛细胞受损时，就会导致听力损失。这条通路的末端是高频毛细胞，它们往往最先受损。
“高频声波的波长较短，所以高频声波与消声室的楔体交互作用更强，而低频则相反。”Baglione说，“低频波长更长，吸收更困难。你需要一个更大的房间。”也有人为误差——有时学生会把东西掉穿地板，这种缺陷会反射声音。
纽约的房地产非常昂贵，所以与空军基地或汽车制造商的测试设施相比，这个室较小。各种各样的项目在格里伯理工学院的消声室进行过测试。学生们测试无人机噪声以找出如何消除这些声音。他们比较了传统小提琴和3D打印小提琴的音质。他们测试内燃机以指导消声器设计、机器人声源定位，甚至虚拟现实头盔。Baglione说新的使用消声室的提案一直在涌现。
消声室是如何工作的
噪音、混响和回声无处不在。要设计一个可以消除一切除原声之外的空间，需要巧妙地使用材料和对物理与几何的深入了解。
诺基亚贝尔实验室研究主管Paul Wilford说:“声音质量往往非常主观。声音与我们的感知、经验和期待一样，在很大程度上是一种知觉。”“通过消声室，我们了解到，从源头听到的声音实际上可能比从墙壁反射或从房间混响传来的声音要低。”他提到的室是位于新泽西州默里山的第一个此类室，目前正在翻新。
作为通信公司，声音是诺基亚的重要组成部分。他们需要一种量化声音质量的方法，以设计更好的麦克风、扬声器和其他设备。“消声室的设想就是一个强大的环境，一个测量装置，一个声学工具，你可以在其中进行高质量、可靠、可重复的声学测量，”Wilford解释道。
声音可以反射、吸收或穿透介质。通过研究声音在空气中传播的物理学，贝尔实验室的研究人员设计了一种由玻璃钢制成的楔形结构。该材料的阻抗与传入声波匹配，以吸收而不是反射声波。声波撞击这些五英尺深的楔体并被困住。楔形是消声室的标准设计选择。
“这意味着，如果你站在那个房间里，有一个声源在发声，你只会听到那个直接声源，”Wilford说。“从某种意义上说，这是你听到的纯声。”如果房间里有两个人，一个人转身对着墙说话，另一个人就听不到他们。“现在世界上还有其他消声室，由于这些特性，这些结果在不同的房间里是可重复的，”他补充道。
消声室目前的用途
有许多方法可以在这种无回响的房间中分析声音。科学家可以通过测量某种声音衰减需要的时间来描述混响。在贝尔实验室，有高质量定向麦克风策略性地放置在房间内，以及定位设备来精确定位这些麦克风在三维空间中的位置。他们可以使用频谱分析仪来观察这些麦克风的频率响应，或者在麦克风周围移动扬声器，观察声音随位置变化的方式。他们还可以同步声音并测量干涉模式。
自问世以来，消声室为许多创新铺平了道路。电荷电容式麦克风取代了老旧的电容式麦克风，就是在贝尔实验室发明的。它的频率响应和性能测试就是在消声室进行的。一项AT&T产品改善了长途电话中的语音质量，这是通过理解网络中发生的声反射并开发出消除噪声信号所需的数学方法才实现的。
最近，Wilford指出，新泽西的室经常用于数字孪生的工作，这是一种技术策略，旨在在虚拟环境中映射物理世界。那种忠实重建需要考虑声学问题。消声室可以帮助研究人员理解空间音频，也就是真实声音在给定空间中的存在方式，以及随着你在空间中移动声音如何改变。
改造后，该室将具有更好的定位性能，这将使研究人员能够理解如何在物联网应用中使用声音来定位对象的位置。
在我参观格里伯理工学院的消声室之前，Wilford分享说，在房间里“重新调谐你的感官”。他越来越意识到现实世界中声音的特性。他可以在会议室里闭上眼睛，仅从说话者的声音变化判断出他们的位置和是否正在接近或远离。他的大脑本来会屏蔽的背景噪音突然变得明显。
当我走出曼哈顿下城的实验室后，我注意到声音在金属电梯里的反射，以及空调风扇声随着我转头略有变化。街道上的背景噪音嗡嗡作响，变得更亮、更响、更清晰。
本文译自 Popular Science，由 BALI 编辑发布。