大喇叭的故事---記席葆樹教授發明射流式氣流揚聲器

andyany · 發表于 2012-11-24 13:18:57

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清華大學工程力學系教授吳翹哲

清華大學工程力學系教授王珊

世界上最大的廣播喇叭

走進廈門戰地觀光園，人們會看到一個3米直徑5米長的大喇叭，被稱為是世界上最大的廣播喇叭。這是海峽兩岸對峙時用于隔海廣播的大喇叭，現在作為歷史的記錄，放在觀光園中展覽。它是由清華大學力學系席葆樹教授在84年研制成功的。

1982年3月的一天，總政某部的一位干事來到清華大學校長辦公室，尋找一位姓“習”的教授，聽說“習教授”曾搞過氣流揚聲器。當校長辦公室介紹他來到席教授的實驗室后，席教授說“文革”中他曾為學校研制一個氣流揚聲器報警器，安裝在新水利館房頂上，但他姓席而不是姓習時，這位干事一拍大腿說“我在北京的大學里找了你一年，現在可找到了”。他向席教授說明了來意：對臺廣播的喇叭不夠響，聲音達不到對岸。要求席教授來完成改造任務。當時席教授的研究室正承擔著兩項國家科技攻關項目，非常忙。在邱干事的一再要求下，答應了承擔研制大功率廣播系統的任務。

經實地調查后，席教授發現原來采用的調制發聲方案是仿效美國Ling公司的產品方案，是用一個環形調制閥來調制氣流的通流面積，產生脈動壓力波而轉換成聲波，這種調制方式容易被氣流中的灰塵微粒卡住，壽命很短，常常一篇短文沒有播完發音頭就壞了，而且氣聲轉換效率低，頻響范圍窄，高頻上不去，清晰度很差，很難用于實際廣播。為此席教授提出了一種新的調制發聲原理，即調制高壓射流方向的方式，沒有摩擦，不會卡住，轉換效率高，調制部件很輕，頻響范圍寬，清晰度好，壽命長，可以滿足大范圍、長距離廣播的要求。

方案確定后，席教授很快利用實驗室的條件，設計圖紙、找材料，并親自動手加工，完成了一臺發音頭的樣機。與此同時廣播站也將原有的氣源站進行了改造，將氣源壓力由2個大氣壓提高到6個大氣壓，當年十月就進行了聯機試驗。第一次試驗雖然由于材料和結構設計不合理而失敗了，但實驗中有十幾秒鐘的時間發音達到了143分貝，從失敗中看到了成功的希望，證明了席教授提出的新的調制方式是可行的。

又經過幾次方案試驗，確定了要制造世界上最大的語言廣播系統的方案，其發音頭的功率要達到2萬聲瓦，相當于普通電喇叭功率10萬瓦。大喇叭口的直徑為3米，長5米，并且要求在兩個月內制成運到現場。席教授回校后帶領研制組的同志，用了兩個星期時間設計出了全部圖紙，立即投入了加工制造。當時要制造這個大喇叭真是費了一翻功夫。鋁錠很緊張，而鑄造4套大喇叭就得搞到4～5噸鋁錠，不得不四處求援。搞到鋁錠后要作木模，木模廠要10立方米紅松，這又是一大困難，木材更緊張,后來和北京最大的鑄鋁制品廠的工人師傅商量,用刮板造型才不需要這么多的紅松木材。開始造型后,由于車間凈空不夠高,不得不在車間地上挖了一個1米多深的大坑。第一個砂模做好后需要吊起來翻180°，由于用的是鐵砂箱，太重，吊起后差點把吊車梁毀壞，不得不重新做了個鋁砂箱。終于在兩個星期內先鑄好了兩套大喇叭。冒著大雨送到豐臺貨場，因為第二天正好有一列貨車去福州，可以撥給一個車皮。發音頭的制造更是克服了一個個難關，從尋找純鐵棒、鈦合金棒，鍛打毛坯到精車成零件，無不凝聚著席教授研制組的同志和工人師傅的智慧和汗水。為了抓緊時間，許多零件是他親自加工的，他在多年的實驗室建設中，也練就了一套機加工的本領，幾乎每天都干到深夜一、兩點。就這樣兩套大喇叭廣播系統從設計到完成只用了兩個月時間就安裝在福州黃歧廣播站了。經過調試，試播時一下子就達到了指標，在隔海12公里遠處可以清晰地聽到語言和音樂的播音，經海峽之聲電臺組織的技術驗收通過后，曾進行了幾十小時的播音。一套具有世界先進水平，也是世界上最大的語言廣播喇叭從此誕生了。后來由于兩岸關系逐漸緩和，這套系統就不再使用了。

春節夜祥和鐘聲響徹北京上空

80年代后期改革開放政策迅速在祖國大地落實，開花結果，兩岸關系開始緩解，隔海廣播的大喇叭當然也就沒有用了，當年的廣播站也變成了接待站。進入九十年代后，席教授想，他發明的這個大喇叭還是很有用處的，如城市語言報警，像北京這樣的大城市如果發生地震、洪水等突發災害時，電網首先破壞了，沒有電，現代的通訊設備都無法工作，這時如果用語言廣播系統及時向人民傳播信息，可以減少損失，是十分必要的。席教授的大喇叭用的是壓縮空氣為動力，可以用柴油機帶動空壓機供氣，完全脫離電網工作。因此可以在救災和報警方面發揮作用，而且可以用語言直接將信息向整個城市傳播出去，這在世界上其他國家還沒有，美國舊金山和洛杉磯大地震后6個小時信息中斷。而震后如果能及時地進行指揮和安撫將會大大地減少損失。為了更好地將這項科技成果轉化為實際生產力，當時校領導建議席教授成立一個公司，用企業的機制來進行轉化，這樣可以招聘人員和得到社會支持。于是成立了北京希必實機電技術有限公司，席教授兼任總經理。席教授向國家救災委員會和北京市政府寫信，建議建立大功率救災語言廣播系統。田紀云副總理很快批復了，北京市政府也很快批復并撥款，由北京市人防辦公室負責籌建。人防辦領導親自實地考察了席教授的大功率氣流揚聲器技術后，決定將1萬聲瓦的Ⅱ型系統建在北京飯店房頂上，這樣可以覆蓋二環路以內大約30平方公里的人口稠密區。喇叭安裝在房頂上而壓縮機太重，只能放在地下室，壓縮空氣由鋼管送到房頂。為了確定管路走向，席教授到北京建筑設計院查閱北京飯店的施工圖紙。確定將北京飯店的十八層樓板，每層打一個直徑大約30公分的洞。這可不是一件容易的事，北京飯店每天國內外客人很多，不能驚擾他們，每天只能在客人外出時才能施工，而且只能用小錘子一點一點地打，希必實公司的副總經理林鋼同志，帶領工人師傅打了兩個星期，終于打通了從地下室到十八樓的地板，將管道一節一節地安裝了起來，整個工程順利地完成了，在人防指揮部可以遙控整個系統運行。

安裝前在郊外空地上進行了模擬試播，但正式安裝完以后卻不能實播，因為很響，如果要實播必須經過國務院有關部門批準。

97年春節北京市禁放煙花爆竹，按照中國傳統，除夕夜本來整個城市非常熱鬧，到處鳴放鞭炮，市區禁放后人們都關在屋里看電視，城市一下子顯得十分冷清，失去了傳統春節的氣氛，于是有人建議，春節夜12點子時相交時打鐘108響。市委宣傳部聽說清華大學有大喇叭，于是發函要求在春節夜用北京飯店頂上的大喇叭，將大鐘寺的鐘聲用錄音帶錄下，在春節夜12點播放108響，并要求在東城北京汽車廠的廠房頂上也裝一個，清華大學主樓頂上也裝一個，席教授他們很高興地接受了任務，經過幾天緊張的準備，在97年春節夜子時，108響祥和的鐘聲就在北京市上空打響了。春節后第二天經過實地走訪各處居民收聽情況，許多人都高興地說昨晚聽到了鐘聲。香格里拉飯店、西郊機場的塔臺和國防大學的宿舍都聽到了鐘聲。在地圖上將收聽到的點畫出來，僅清華主樓上一個喇叭的有效覆蓋范圍就達到了40平方公里。從此每年春節夜北京飯店頂上的大喇叭的鐘聲都響徹北京上空，給北京市增添了節日的氣氛。

看見了廬山真面目

1998年5月的一天，中國民航總局的幾位領導和專家向席教授談到有無辦法消霧，每年由于大霧使一些機場被迫關閉，造成航班延誤，損失很大，民航總局的領導一直很關心這個問題。目前世界上沒有什么好辦法，有人試驗用噴灑液氮或丙烷，有人試驗用播灑干冰的辦法來消除冷霧〔0℃以下的霧〕，有人試驗向霧中噴火來消除暖霧（0℃以上的霧〕，但都存在著一些問題，成本高，不安全。席教授又想起了他的大喇叭，因為霧就是懸浮于大氣中的微小水滴，是一種氣液兩相流體。席教授此時正在指導研究生進行強聲波對兩相流體的作用的研究，便回答說可以試一試。回來后立即動手在實驗室中搭起了一個試驗裝置，進行聲波與霧相互作用的觀察試驗，發現在聲波作用下霧很快就被消散了，原來在一定頻率和強度的聲波作用下，會激發霧中的微滴振動，使其相互碰撞成大的水滴而掉落下來，霧便被消除了。相互碰不著的微滴由于振動，與空氣摩擦產生熱交換而蒸發，結果霧滴也沒有了。從試驗中證明用強聲波使霧消除的原理是可行的。經過初步試驗找出了規律，但是在野外、機場中能否將霧消除還得進一步證實，于是經過計算，設計了一輛消霧試驗車，將一個2萬聲瓦的SBSⅠ型發音頭聯接一個3米直徑的大喇叭，安裝在一輛10米長的卡車上，另一輛10米長的卡車上運載著一臺大型空氣壓縮機，這樣兩輛車就構成了一套消霧試驗裝置。99年4月裝配好后，北方此時沒有霧，氣象部門的專家說廬山有霧，“不見廬山真面目，只緣身在此山中”，幾乎天天都有霧，于是先派SBS公司林鋼副總經理去廬山考察、踏勘試驗場地，最后決定將兩輛大型試驗車開到廬山進行實地試驗，林鋼和王縉群工程師親自開車經過三天長途跋涉，兩輛車開到了廬山腳下。上山卻遇到了麻煩，廬山路窄彎多，“一山飛峙大江邊，躍上蔥蘢四百旋”，公安局不允許大型卡車上山，何況是加長的，當向廬山公安局說明意義后，他們很支持，特別派了兩輛警車一前一后開道，兩輛加長的大卡車慢慢地一直開到海拔1200米的廬山頂上，在那里有一個400多米長的開闊地可以進行試驗。廬山上的霧實際上就是云，運動速度很快，與機場上的霧不一樣，機場上的霧基本上是靜止的，廬山上的霧只有在早晨，天亮起霧時運動速度才比較小，為了抓住試驗時機，就住在山頂上卡車里，在天亮時進行試驗。經過幾天的等待終于在4月17日早晨抓住了機會，當機器開動后發出隆隆的低頻聲波，原來只有50米能見度的朦朦大霧，十分鐘后400多米遠處的山頭便看見了，霧被消掉了，而喇叭后面卻仍然是原來的能見度。試驗成功了，證明用強聲波可以在野外大范圍內進行消霧，大家都非常關心這次試驗，學校領導王大中校長和中國節能投資公司的領導都來看了試驗的錄像，當將錄像帶送給中國民航的領導看后，他們也都十分興奮。當設備開到珠海，參加國際航展時，在機場上引起了人們極大的興趣，許多投資商前來洽談投資，進一步開發成商品。

美國參觀者都捂住了耳朵

2000年8月8日－10日，在美國明尼蘇達的明尼阿波里斯機場召開北美防止鳥撞大會。由于飛機的數量增加，速度越來越快，噪音也小了，另一方面由于生態環境的改善，人類保護鳥類意識的加強，在同一空間中鳥與飛機相撞的機會就多了，每年全世界發生大約2萬多起鳥與飛機相撞的事故，僅美國每年就發生4000多起鳥撞，損失3～5億美元，飛行安全受到很大威脅，引起了世界各國的重視。世界各國成立了鳥撞委員會，每年召開兩次世界大會，上半年在歐洲，下半年在北美，交流各國在防止鳥撞方面的技術與經驗。我國近年來鳥撞事故也不斷上升，花巨資進口了許多外國驅鳥設備，但由于鳥很快適應而不起作用。席教授領導的北京希必實機電技術有限公司受中國民航總局的委托，研制開發我國的驅鳥設備。經過兩年努力，開發生產了我國獨特的驅鳥裝置，其中就有大功率氣流揚聲器驅鳥車，它是裝在一輛卡車上，將喇叭發出的聲波集束在一個小的角度，對準鳥群發出各種鳥害怕的聲音，由于聲音很響，在500米處達到100分貝，因此鳥很害怕而趕快飛走。當美國和加拿大鳥撞聯合會知道了中國開發出了新的驅鳥技術后，特地邀請，席教授親自帶隊去參加大會，并且帶了一套集束強聲波驅鳥裝置到會上演示。350多人參加了大會，除美國和加拿大的代表外還有來自中國、日本、法國、泰國、巴西、臺灣等國家和地區的代表。大會很重視來自中國的代表，將他們的報告“中國的鳥撞形勢和對策”安排在第一天上午進行交流。當屏幕上展示了希必實公司開發生產的系列驅鳥裝置時，全場不時響起稱贊的聲音，說中國人很重視鳥撞，他們的設備是真家伙，重武器。會間休息時紛紛對中國代表說“一定要去看你們的設備演示”。第二天在明尼阿波里斯機場進行了各國驅鳥設備演示，當幾百名代表進入演示場后，一下子都擁到了中國的集束強聲波驅鳥車旁，聽完講解后，退到了50米的地方，這時集束強聲波大喇叭上下左右轉動，搜索著天空，發出各種刺耳的驅鳥信號，當把喇叭放平，對著代表的方向時，他們都捂住了耳朵，都說聲音太大了。解說員告訴他們音量并沒有開大，他們聽到的只相當于鳥在500米高空聽到的聲音，他們說這聲音一定能把鳥趕走。人們不斷前來索要資料，了解技術性能和詢問價格。大會主席特別稱贊中國代表的報告和演示，專門為中國代表寫了一個評語，說“你們的報告是最好的一個報告，你們的演示最吸引人”，并且對中國代表說，你們這次參加大會引起了大會代表的極大注意，因為兩個原因：一是你們的技術很新穎，水平很高，二是中國代表第一次參加這樣的會。

在美國明尼阿波里斯機場上，席教授發明的大喇叭在眾多外國代表面前大顯了身手。

傳統的聲學是在小振幅線性范圍作為信息傳遞來研究的，已經發展到了很成熟的地步，而近年來發展起來的強聲學是大振幅，非線性，作為能量傳遞來研究的，因此在很多領域有著廣泛的應用前景，形成了一門學科?D?D強聲學或聲能學。強聲學的關鍵技術是強聲源，國外一直在致力于研究，但至今未能很好突破，因此限制了強聲學的實際應用。席教授發明的射流式大功率氣流揚聲器在強聲源技術上是一個突破，十幾年來他日以繼夜，不畏險阻，開拓創新，不斷地致力于研究，在該領域的許多應用方面走在了世界的前面。

長江漂流 · 發表于 2012-11-24 15:57:07

美國人做過一個次聲波武器用于軍事上，我們的喇叭如果研究一下應該很強吧。

andyany · 發表于 2012-11-24 16:02:26

本帖最后由 andyany 于 2012-11-24 16:06 編輯

長江漂流發表于 2012-11-24 15:57 ) r# ?: W! |! V
美國人做過一個次聲波武器用于軍事上，我們的喇叭如果研究一下應該很強吧。

The first time I was at Great Wall, I spoke to myself that how good it should have been to put the money into improving people's living rather than buliding the wall.

林の屋 · 發表于 2013-2-23 23:58:23

席葆樹教授是我的恩師啊 {:soso_e181:}

nyq456 · 發表于 2015-1-11 12:47:20

前輩。。。

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