微穿孔板：解決世界聲學難題的中國方案

馬大猷(右) 指導其博士生田靜進行噪聲分析工作。

馬大猷（右）進行噪聲測量試驗。

孔徑0.25毫米、不同孔距的微穿孔板。

人民大會堂萬人大禮堂。聲學所供圖

■本報記者 劉如楠

在會議大廳，人們希望語音流暢、清晰可聞；在音樂廳，人們希望余音繞梁、三日不絕；到了劇院影院，人們希望聲效逼真、身臨其境……

不同的建筑場所需要不同的音質設計，相應的就需要與之匹配的吸聲設計。而提到吸聲結構，就繞不開中國現代聲學的重要開創者和奠基人——中國科學院院士、中國科學院聲學研究所（以下簡稱聲學所）研究員馬大猷。

1966年，馬大猷提出微穿孔板吸聲結構的設想，后來將其理論分析發表在《中國科學》期刊上。這一理論后來在國際上掀起了一場吸聲材料革命，無數研究者紛紛加入微穿孔板的研究與應用中。這也成為了中國現代聲學邁向國際的關鍵一步。

如今，在人民大會堂等重要建筑中，隨處可見微穿孔板結構的身影。

1 火箭發射噪聲問題亟待解決

11月的戈壁灘，寒風凜冽、沙礫漫天。

在甘肅酒泉衛星發射中心，年已半百的馬大猷帶著3位年輕科研人員，拉起被凍硬了的電纜線，小心布設著一臺戶外傳聲器，將其安置在距發射架50米外的地方。

隨著“點火”的一聲令下，火箭起飛，轟鳴聲不絕于耳。同時，整個發射試驗過程的聲音都被錄音機錄了下來。

1965年，研制我國第一顆人造衛星的計劃得到中央專門委員會批準，稱為“651工程”，中國科學院負責衛星和地面跟蹤系統的研制。因為馬大猷此前曾參與中國科學院衛星研制“581任務”，所以這次的衛星聲環境實驗工作由他承擔。

發射人造衛星離不開運載火箭，而火箭的噪聲又不可避免。發射時，高聲強的噪聲會造成火箭蒙皮聲疲勞，損壞儀器設備。當時，國外已有不少由此引發的事故。馬大猷等人這次西行，正是為了分析研究火箭發射噪聲，并找到改善辦法。

在發射基地工作期間，馬大猷了解到，當時發達國家的戰略火箭部署已從地面轉入地下，發射方式由地面發射改為地下豎井發射，由此帶來的噪聲問題更加嚴重。為了長遠部署，需要提前研究井下噪聲的控制方法。

這是一項全新的研究任務，既沒有現成樣品可供參考，也沒有現場資料可查。國外豎井發射本身就是為了隱蔽，因此里面什么樣無從知曉。

“發射基地邀請我們參加不久后的下一次發射，可馬先生急于開展研究工作，于是在測得聲級做好錄音后，就決定立即返京。”當時與馬大猷同去的聲學所研究員張家騄回憶說。

2 大道至簡

當時，國內外普遍采用穿孔板加吸聲材料進行降噪處理。人們在板材上均勻地開一些厘米級的孔，將玻璃棉、礦渣棉等纖維性和多孔性材料固定在板材背后，形成普通穿孔板吸聲結構。

其實，穿孔板本身是一種共振吸聲結構，具有一定的吸聲能力，但在實際應用時往往需要依靠吸聲材料增強吸聲效果。

由于空氣具有黏滯性，當聲波經過穿孔板的孔時，空氣產生阻力，消耗部分聲波能量。其余的聲波通過大孔進入纖維材料、多孔材料，撞擊到其不規則表面，產生散射作用，孔洞和孔壁也會引起聲波多次反射和折射，在材料內部進行多次傳播和耗散。同時，聲波與孔洞壁面及材料內的骨架發生摩擦，將聲能轉化為熱能，這會再次消耗部分聲波能量。兩者結合，能夠有效降低聲波的反射，起到吸聲降噪、改善聲學環境的作用。

而到了火箭發射的地下豎井中，這種辦法完全行不通。發射伴隨著高溫、烈焰、高壓、高濕和腐蝕性氣體，頃刻間就會使這些吸聲材料化為烏有。此外，針對實際應用中的不同需求，具體加多少吸聲材料也沒有理論指導，只能憑經驗試錯。

從酒泉回京后，馬大猷急于開展吸聲結構研究。一有時間，他就思考：多孔性材料本身就是寬頻帶吸聲材料，何必多此一舉，再加穿孔板？穿孔板有時只是發揮保護面板的作用。能否一反常規，使穿孔板本身解決吸聲問題？

馬大猷認為，這在理論上完全可行。如果穿孔板結構的聲阻抗和大氣中的聲阻抗相匹配，不需要另加吸聲材料，也能獲得較好的吸聲效果。同時，為了加寬吸聲頻帶，須盡量降低穿孔板結構的聲質量。

研究證明，穿孔板結構的孔徑越大，聲阻抗越小，反之聲阻抗越大，它的聲質量就大致只和穿孔率有關。因此，通過控制孔徑大小和穿孔率，就可以控制其聲阻抗和聲質量，進而控制穿孔板的吸聲效果。

經過反復的理論推理，馬大猷提出，如果把孔徑減小到絲米（1絲米等于0.1毫米）級，就可以獲得足夠的聲阻抗，使其成為良好的寬頻帶吸聲結構，不需要另加多孔性材料。這就是微穿孔板的概念。

他判斷，在任何板材上打出微孔，都能達到吸聲的目的。

“馬先生常對我們說，‘處理問題要抓住問題的實質’‘大道至簡’。”曾跟隨馬大猷長期工作的聲學所研究員戴根華表示，“雖然穿孔板的概念早已有之，但孔徑比較大、板材比較厚。看起來他只是將大孔變成了小孔，但實際上，如果沒有對聲學本質問題的長期研究和創造性思維，那么是無法想到的。”

3 “沒想過要任何回報，這是中國科學院的傳統”

理論構想有了，接下來就需要實驗驗證。

大家首先在每片10平方米、約1毫米厚的鋁板上，用打磨尖銳的鋼釘一個一個地鉆孔，速度緩慢。后來，研究室一位金工師傅想到，可以用修鞋的縫紉機一行一行地扎，這才使速度有了較大提升。

每當做好了不同孔徑和穿孔率的微穿孔板，馬大猷就會根據不同聲音環境，先在駐波管中測量，然后拿到混響室測量。

戴根華回憶：“當年在混響室做實驗時，至少需要3平方米到4平方米的微穿孔板樣品。利用信號發生器產生聲信號，經放大器放大后構成一個混響場，而后用電容傳聲器拾取聲信號，再由記錄儀記錄下來，最后通過計算得到樣品的吸聲量和吸聲系數。”

后來，馬大猷索性帶著團隊成員在聲學所院內挖了一個約4米見方、2.5米深的簡易模型井，用水泥將井壁固化，裝上不銹鋼微穿孔板。通過測量裝上微穿孔板前后的混響時間，計算出吸聲系數。

就這樣，馬大猷等人分別測試了鋁板、硬紙板、膠木板、不銹鋼板等板材在孔徑0.75毫米，板材厚度1毫米、0.5毫米，每平方米穿3萬個、8萬個孔時的吸聲效果。

他們最終發現，當不銹鋼板厚1.5毫米、孔徑1毫米、穿孔率為1%到2%時吸聲效果最佳，能夠耐瞬時高溫、耐潮濕、耐強氣流沖擊。而為了達到這“三耐”，他們還在微穿孔板前加裝了孔徑4毫米至5毫米、穿孔率15%的保護性大穿孔板。

后來，馬大猷將其理論分析和實驗驗證形成總結報告，并對微穿孔板制造過程提出具體建議，上交給相關部門。微穿孔板吸聲結構投入實際應用后，換了特殊板材同樣獲得成功。

1975年，馬大猷將多年成果撰寫成論文《微穿孔板吸聲結構的理論和設計》，發表在當年復刊的第一期《中國科學》上。

即便推遲了近10年論文才得以正式發表，微穿孔板理論依然是領先世界的吸聲理論。這一理論的確立，使人們在應用時不必進行大量實驗和計算，只需要掌握3個常量，通過一定的公式，便可計算出其他變量。為了便于工程應用，馬大猷還把這些計算公式變換成簡易圖表，方便設計工程師查閱，免去反復運算的麻煩。

“當時我們沒有專利保護意識，公布了原理和做法后，國內有許多企業和工廠生產微穿孔板。”戴根華說。

“我們當年對微穿孔板吸聲結構進行技術攻關時，根本沒想過要任何回報，這是中國科學院的傳統。”馬大猷曾說，“對于國家戰略需求，我們不僅會全力以赴提供技術支撐，還會無償提供應用樣品。國家戰略需求能夠想到我們，就是對我們最大的厚愛。”

4 改造人民大會堂聲學設計

提出微穿孔板理論后，馬大猷并未就此止步。后來的幾十年，他都在不斷探索，將其發展深化。

1983年，馬大猷提出一種直接、簡單測量微穿孔板聲阻抗的方法，比已有方法更為簡便、準確，方便人們準確估計微穿孔板吸聲結構的工作性能；1988年，他又進一步提出穿孔聲阻抗公式，簡化微穿孔板結構設計。

在高聲強環境中，穿孔內的質點速度與聲速相比，可以達到相當高的數值，因而會影響微穿孔板的聲阻抗和其他特性。1996年，馬大猷基于高聲強環境下微穿孔板的應用研究，提出了改進方法。

最初提出微穿孔板結構理論時，為了打破微穿孔板在實際應用中機械加工條件的限制，馬大猷對基本方程中的超越函數做了近似處理。隨著其應用越來越廣泛，1997年，他進一步發展了微穿孔板吸聲結構的準確理論和設計，使其應用潛力進一步提升。

2000年，馬大猷根據吸聲材料靠聲波通過孔隙與其固體骨架摩擦而損失能量的原理，將微穿孔板吸聲體理論進一步發展為微縫吸聲體理論，使其構造更加多樣化。

2003年，馬大猷進一步討論了微穿孔板吸聲體的吸收帶寬極限……

“馬先生1975年發表理論，幾十年來對其不斷深入研究，直到80多歲后，他還在不斷發展、深化理論研究。”馬大猷的學生、聲學所研究員李曉東說，“盡管當年馬先生發表的是中文論文，但在2000年后其引用率不斷上升。國際聲學大會還設立專題討論微穿孔板理論。”

微穿孔板理論在我國各類工程實踐中得到應用，其中以人民大會堂最為聞名。

1999年，人民大會堂管理局擬對人民大會堂萬人大禮堂進行維修改造，其中建筑聲學設計是整體方案的一個重要組成部分。早在人民大會堂建造之初，馬大猷就曾負責其音質設計工作，這次維修改造的聲學設計任務，自然落在了聲學所的肩上。

萬人大禮堂不僅容積大，而且接近橢圓，又是穹頂，使原大禮堂混響時間偏長，回聲現象嚴重，語言清晰度偏低。當時，中央領導同志對大禮堂的維修改造有明確指示，要求“大禮堂改造必須保持其原有建筑風貌”。這就意味著，大禮堂容積不變、形體不變、內墻與頂“水天一色”風格不變。

因消防要求，改造使用的材料也有明確規定，即表層材料必須為金屬，內層材料必須一級防火。同時，為保證“水天一色”，作為吸聲結構表層金屬穿孔板的穿孔率必須一致。

“這要求我們選用的材料必須以消防安全為中心，而音質要比改造前有所改善。這無疑給音質設計工作帶來了相當大的難度。”李曉東說。

在馬大猷微穿孔板理論基礎上，他的學生、聲學所研究員田靜，李曉東等經過一年多的聲場模擬、吸聲材料與結構測試、理論計算，正式確定了萬人大禮堂改建音質設計方案。

后來，經過會議、大型文藝演出活動等3年多的檢驗，人民大會堂維修改造工程指揮部認為，改造后的萬人大禮堂音質有很大改善，原有過長混響時間變短、嚴重回聲現象基本消除，語言清晰度大幅提高。

5 挽救德國議會大廳

馬大猷沒有想到，他的微穿孔板理論設計提出17年后，由于幫助德國挽救了一項重要工程，在國外引發了微穿孔板研究與應用的熱潮。

那是1992年12月，兩德統一后，興建起一座新的議會大廈。為了充分體現開會的透明度，大廈四周全部采用透明玻璃。遠遠看去，大廈的中央議會廳就像個巨大的圓柱形玻璃罩。

“女士們，先生們！”舉行第一次會議時，議長剛說了一句話，會議廳里的擴音喇叭就沒了聲響。會議在全國進行實況轉播，人們看到，662位議員憤然離席，回到原議會廳繼續開會。

要知道，這座新的議會大廈耗資2.7億馬克（約合人民幣13.5億元），檢修人員也并未發現電源、音響設備、麥克風的任何問題。這震動了德國工程界，一度成為德國的丑聞。

原來，這座用玻璃圍起來的圓形大廳，有嚴重的聲聚焦現象。在議會廳里講話時，聲音被四周密度極大且表面光滑的玻璃墻壁不斷反彈回來，又集中到大廳中央——設置講臺、話筒、喇叭的地方，使計算機控制的擴聲系統自動鎖閉。

后來，相關部門找到了德國弗勞恩霍夫建筑物理研究所。當時，恰逢查雪琴等幾位中國學者在該研究所訪問交流。查雪琴想到馬大猷關于微穿孔板吸聲結構的論文，隨即將該理論付諸實踐，在鋁板上鉆孔做實驗，最終發現，測量得到的數據與馬大猷公式給出的理論計算吻合。

查雪琴等經過幾個星期的研究和測量工作，在本地一家小廠支持下，拿出了樣品——在每平方米5毫米厚的有機玻璃上，打出3萬個孔徑為0.8毫米的微孔，形成透明的微穿孔板。他們最終解決了議會大廳的聲學難題，在德國工程界被傳為佳話，德國《圖片報》等媒體對此進行了專題報道。

后來，為表彰馬大猷在建立微穿孔板吸聲結構設計理論方面取得的成就，德國弗勞恩霍夫協會授予馬大猷金質獎章，并由弗勞恩霍夫建筑物理研究所頒發阿爾法（ALFA）獎和1萬馬克獎金。

2021年，國際噪聲控制工程大會評選出7項百年噪聲控制發展史上的里程碑式工作，微穿孔板結構的理論與設計就是其中之一。

如今，聲學所的科研人員們，站在馬大猷等前輩的肩膀上，潛心研究、勇于創新，不斷拓展著微穿孔板結構的理論與應用邊界。

李曉東說：“我們已經在微穿孔板理論研究與工程設計中取得多項成果，到現在還在不斷激發它的應用潛能，相信未來會取得越來越多的原創性突破！”

《中國科學報