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骏马谋大略 长啸声自远——记声学宗师马大猷

【编者按】马大猷,1915年生于北京,原籍广东。1932年毕业于北京师大附中,中国科学院院士,国际著名的声学家,我国声学事业的开创者。人民大会堂声学设计者。

马大猷,1915年3月1日生于北京。祖籍广东潮阳县上寨村,村里人都姓马。父亲马有略,曾考上清末的举人,给自己的儿子取小名‘雄才’,上了学叫‘大猷’,‘大猷’也就是‘雄才大略’之意。马有略后为日本明治大学法学学士,任职北洋政府农商部“办事”。即便如此,父亲也因政府的经常欠薪,有时要去当铺典当,所以,马大猷先生从小就知道了贫穷滋味。与父亲一起客居潮州会馆。后来,父亲弃官去上海做律师,两年后故去,时马大猷15岁,幸得北平潮州同乡会资助,得以继续学习。母亲也靠给人做针线活来贴补家用,供兄妹三人读书。

1926年马大猷考入师大附中。念中学时,受傅种孙和程春台先生影响很大,非常喜欢数学。有一次因为一道数学题不会交了白卷,本以为会受到老师的批评,可没想到最后竟然得到了老师的表扬。交白卷为什么还能得到表扬呢?原来那个题目本来对学生就比较难一点,他就直截了当不去瞎乱写好多东西,老师觉得这样直爽就更好一点。马大猷的学生时代,正是日本侵略者向中国步步进逼的历史时期。从“济南惨案”、“九一八事变”、直至“何梅协定”,国民党政府推行不抵抗政策,丧权辱国,与此同时国内的青年学子却不断抗争,掀起一浪高过一浪的爱国运动。在当时风起云涌的学生运动中,少年马大猷的心中激起了“科学救国”的热情。

中学毕业后,也是因为家境贫寒,他放弃了清华的机械系,选择了当时的“穷北大”物理系。在北大,萨本栋教授讲普通物理,江泽涵教授讲高等微积分,饶毓泰教授讲电磁学、物理光学,受益匪浅,直到今日,一切重要理论、规律、现象和一些常数都还记得清清楚楚,一些细节坐下可以推导出来。特别是饶毓泰先生的教导、启发和鼓舞一直影响到今天。因为参加了“一二•九”运动和事后罢课;毕业后不能留在北大。他在《马大猷科学论文选集》付印时的《作者自叙》中写道:1936年6月,我在北京大学物理系毕业。在校时,长期受系主任饶毓泰(树人)先生的教导和熏陶,对科学研究工作非常向往。但当时国难方殷,希望工作能比较接近实际需要。这种考虑颇得先生嘉许,遂决心向应用物理学发展。会当清华大学招考留美公费生,专业有电声学,正符合我的志愿,遂前往应试,侥幸中选。

被清华大学录取之后,按规定,出国之前所有人员都要在国内准备一年。马大猷的指导老师是北京大学的朱物华先生和清华大学的任之恭先生。1936年9月,马大猷回到北京大学物理系准备口语和研究工作。次年七月,“芦沟桥事变”爆发不久,北京就被日军占领,学校里一片混乱。八月初马大猷和同学们计议决定只身出走,刚到天津就被日本宪兵扣留了。因为当时天津日军听说可能有学生运动,怕不好收拾,就将那几天到津的学生全部扣留了,关到师范学校的日本宪兵队部。这一批被关押的学生生活条件非常差,几十个人挤在一间大房子里睡地铺,不准多说话,不准多走动,一天三餐都吃不饱,弄不好还要遭到日本宪兵的呵斥和踢打。马大猷就在这样的环境里生活了33天,终于在遭到无辜关押一个月后见到梅贻琦校长,申请暂不出国,参加抗战。梅校长考虑后,决定马大猷仍应按原计划出国。不久马大猷就出发,经香港到美国洛杉矶加州大学,在著名声学权威努特森教授指导下从事声学研究工作。

美国声学界第一位中国学者

在加州大学,除了系统上声学课和做实验外,马大猷做了两件研究工作:一件是教授给的课题,颤动回声的研究,做了实验记录和理论分析;另一件是和“师兄”伯鲁特讨论中想到的,研究成果后来写成论文发表。伯鲁特比马大猷早到加州大学,马大猷和他切磋的时间最多,并一起开展了合作研究。有一次,博鲁特因为推导出了个适合于声频范围内简正波频率分布的新公式,所有人都为此祝贺。从小爱思考的马大猷,养成了“鸡蛋里挑骨头”的钻研性格。他思前想后:难道博鲁特公式就无懈可击?科学的本意不就是倡导“简单”、“和谐”?那种繁杂的公式本身不就是缺陷?马大猷为此感到非常困惑,悄然离开了庆贺的现场。

第二天,马大猷草草用过早餐,便一个人独思博鲁特公式。忽然,他灵机一动:何不用频率空间的体积计算,以求出简正频率的数目?

马大猷很快推导出一个简捷的公式,急匆匆跑到教室,向同学们和盘端出他的推算。大家惊呆了,顷刻响起热烈的掌声。博鲁特也走近他,向他祝贺,承认马大猷这一开创性方法比自己的“更为有用”。

经过反复推敲,马大猷的论文在1938年秋天美国声学学会的年会上宣读,引起了强烈反响。从此,在世界声学史上,马大猷这一公式被认定是“波动声学的一个基本公式”。 马大猷也因为这项研究成果最终获得博士学位。

这是1940年,国内抗日战争已是第4年,老母尚在沦陷区被困。博士毕业的马大猷面临着两种选择,一是因为国内的战事正紧,美国的同学劝他不要回国,愿意把自己的奖学金给他,他爱做啥科研就做啥;二是国民党政府要在美国购买武器,希望既懂技术又懂英语的在美留学生帮助。马大猷想起恩师饶毓泰临别那番语重心长的谈话,想起遭受日寇铁蹄蹂躏的祖国河山,想起田汉所敬慕的他的同乡人郑正秋那种“胸中常有兴亡感”的情怀……他征求了在国内的恩师朱物华的意见,恩师告诉他不要为国民党政府做事,希望他到已并入西南联大的清华大学工学院任教。为国为家,马大猷决定在参加完学校毕业典礼后,即启程回国。

在回国途中,马大猷到耶鲁大学看望了赵先任先生和颜福庆先生。那时纽约正开世界博览会。他去参观时,特别注意贝尔实验室的“语言演示器”VODER;后来在辛辛那堤参观工厂,又见到了“声镜”,即最早的钢丝录声机;在盐湖城时,他参观了摩门教堂,全是木结构,不用钉子,可容5000人,讲坛上掉一根针,后面都听得清清楚楚,这也是建筑声学中一个有名的建筑。最后还去UCLA看望了努特森先生。一路上增加了不少见识,最后由旧金山登轮船回国。

半个多世纪之后,年届八旬的马大猷回忆起当年的选择时,还深情无悔地说:“发展中国的声学事业,是我的恩师为我指出的专业方向,也是我愿意毕生为之奋斗的目标。当时获得博士学位后马上要回国,内心是感到国家和民族正遭受灾难,需要我马上回去尽一份力量。”

最年轻的西南联大教授

马大猷一路辗转,1940年8月从越南的海防港进入昆明。在西南联合大学电机系任副教授,他的教书受到学生和老师的一致好评,两年后升教授,时年27岁,是西南联大当时最年轻的教授。西南联大工学院在昆明的院部,借用的是一位大理商人出资兴建的“迤西会馆”,马大猷住的那个小院因为登楼就可以看见苍山洱海,故而称为“望苍楼”。

马大猷以西南联大一名教师的普通身份,吸引了年轻的白族姑娘王荣和,两人结成了伴侣。这位心地善良的医科学生,成为了他终生的“守护神”。一直和马大猷相亲相爱、携手至今的王荣和说:“我当年就觉得他真不错,那么年轻就已经当了教授,那时我最崇拜的就是老师。”

马大猷所负担的是比较基础的课程,如电工原理、电子学、电信网络、电磁实验等,每学期都是3门课,另外自己做些研究工作。他在美国时所学课程多与无线电通信有关,而通信在战争中极为重要,回国就想为抗日战争出些力。但事与愿违,竟无人过问他的研究工作。所以马大猷在当时做的科学研究工作,因缺少实际需求,只能限于基础问题。几年中,做了颤动回声、声场起伏现象,国语中的语音分配,普遍抗性原理,声频振荡--分析器等几篇论文,大部分是在国外发表的。教授做科学研究工作,保持在科学前沿,本来是高水平教学所必需的。为此,他和华罗庚、余瑞磺、场佩松、崔芝兰等“不得志”的同事商量,组织了“科学励进会”,“活动了两三年”,受到国外同行的注意。

1943年,马大猷被美国声学会选为会士,成为中国科学家在该学会的第一位会士。

如西南联大校歌所唱的那样,“千秋耻,终当雪,中兴业,须人杰。”当时“大后方”工业薄弱,技术水平低,满腔报国热血的马大猷和同事们谈论,都认识到工程教育的重要性。 尤其是北大文、理学院的老师和朋友们,对它的重要性认识更为深刻。北大理学院原有的基础就很好,以此为基础,办一个理工结合的工学院,培养有坚强数理基础、了解工业发展水平、有创造能力的工程师,很有优势。这个问题谈论了很久,1946年组成西南联合大学的北大、清华和南开大学复员,北大就邀请马大猷回北大,承担其事。1946年8月,年方31岁的马大猷出任北京大学工学院首任院长。当时大学入学考试已过,补招工学院学生100人,设机械、电机二系。北大文、理学院各系全力协助,很快就开了学。马大猷讲授普通物理学。翌年,北洋大学北平部并入北大工学院。这时,蒋介石进攻解放区,解放战争已开始。国民党贪污腐化日甚,学生反对、抗议不断。当时,马大猷住在沙滩街文理法学院附近,每日上午到工学院。工学院学生的课外活动他都未参加,但文理法学院学生的民主集会则经常能看到他的身影。工学院的目的是培养有创造能力的高级工程技术人才,工学院院长主要应致力于课程安排,使学生打好基础,熟悉技术发展。所以延揽高水平、有经验的教授就是最重要的工作了。马大猷在这方面做了努力,效果很好,在各位教授支持下,工学院的工作蒸蒸日上,学生也非常活跃。

1949年1月迎来北平解放,工学院从此逐渐溶入了全国的大发展。为此,马大猷在工学院采取了两项措施:一是改变学制,把五年制改为四年制;一是大办适应实际需要的一年制和二年制的专科,这样就培养了大批技术干部。1952年全国院系调整,马大猷本已调到哈尔滨工业大学任教务长、教授。这时教育部规定,大学的主要任务是教学,教学与科研分离。这种办法和马的设想差距很大。加之哈工大决定办成重工业的学校,取消一切电信方面的课程,专业也不对口了,所以在毛主席发出向科学进军的号召后,他就请求归队,调到科学院应用物理研究所(后来改为物理所),恢复声学的研究工作,这是1955年。同年,他被聘为中国科学院学部委员(后来改称院土)。

马大猷到物理研究所以后,该所得到各方面的支持,很快就装备了声学实验室、配备了助手,可以更好地开展科学研究工作。

1956年周总理直接领导制定了科学技术12年远景规划,马大猷提出了发展声学的规划建议,并参加了讨论。会上提出4项紧急措施(电子学、半导体、计算机和自动化),为我国新技术的发展画出蓝图。会后,中国科学院成立了电子学研究所筹备委员会,指定李强为筹委主任,孟昭英、陈芳允和马大猷为副主任。组织了电子学(电子管的研究)、无线电(电子管的应用)和声学3个方面的研究工作。开始时在西苑旅社六号楼工作,同时进行基建。马大猷主持了电子所大楼的设计、施工、装修工作,并设计了达到国际水平的全国第一座声学实验室和声学实验水池。工程质量很高,大楼至今已安全使用近50年。

办研究所,人员主要来源是大学毕业生,给科学院的名额有限。中国科学院那时在北京已有一二十个研究所,有成就的研究员不少,于是就计议创办自己的大学。1959年在北京成立了中国科技大学,教授是有关研究所的研究员,实习到各研究所,理工结合,加强基础训练,5年毕业。这些完全符合马大猷的设想(也是学者的共同意见),所以他非常积极,开学后与吴有训先生、严济慈先生分担几个班的普通物理课,研究所的工作也同样没耽误,这样教了6年,一直到“科大”搬到合肥为止。

大会堂声学设计保持世界纪录

为迎接1959年国庆,北京兴建十大建筑,人民大会堂音质问题交给了马大猷先生负责。马大猷组织北京高校、建筑、广播系统中的声学专家进行研究,开展了设计和试验。

人民大会堂是当时世界上最大的会议场所。大会堂的内部结构、穹顶形状,使音质方面的设计者们面临的最大的问题就是回声。假如不做任何处理,在这里边只听到各个回声的互相干扰,根本没办法开会。以前有一种错误的认识,以为将大会堂这样的建筑建好,安上两个大喇叭,装上扩音器就行。实际情况决不是这么简单,扩音出来的声音经过墙壁和空间反射,产生混响,传到后面仍是嗡嗡的,什么也听不清。

马大猷先生利用积累的经验,和课题组成员形成基本思路。他们做了两个模型试验,先在中科院声学研究所做一个40:1的小模型,可摆在桌子上用超声波做测量,另外又做了个10:1的大模型,像一间小房子,人可以蹲在里面实验,根据模型测试结果,提出解决声场不均匀及扩声系统反馈作用影响的方案,在人民大会堂安装调试。

根据马大猷先生的设计构想,人民大会堂先是用一个分散式的声源,不靠几个大喇叭扩音,而是把主席台上的声源分散到台下的座位,每两个座位前置一个扬声器,听台上讲话就像对面传来一样。考虑人民大会堂经常举办音乐会等大型文艺活动,演出声音要有一定保真度,靠座位前扬声器效果不好,于是,又搞了一个半分散式声源。大会堂主席台32米宽,左右两个声道中间再加一个声道,使一个声音叠加一个声音逐渐递增,传播时间控制在1/20秒内,声音听起来是连续的,坐在最后一排的听众既听得清楚,也不会受回声干扰。

北京人民大会堂建成后做了测量,证明其音质的设计、处理完全成功。两套声源系统一直使用至今。后来诸如全国人大、全国政协每年要在这里召开大会,在使用中都感到很满意。这里举行的大型文艺表演,音乐优美动听,歌唱清晰宏亮,也达到了预期的效果。

马大猷和课题组从提出概念到设计模型,到最后完成大会堂的音响设备安装调试,仅仅用了9个月时间。

人民大会堂的穹顶要体现水天一色、满天星斗的效果。马大猷说:穹窿顶从声学上讲不是最好的。声音传播时最怕弯曲,一弯曲就发出回声。不过,我们设计的声学系统还是解决了这个问题。

人民大会堂的建造还有一个难点,就是根本没有机会反复实验,它是一项政治任务,只许成功不能失败。对此,马大猷并不觉得有压力,他原来就有理论基础,相信用分散声源能够解决大会堂声音互相干扰的问题。

人民大会堂的音质设计效果不仅超过了华沙人民宫,近半个世纪过去,它至今仍经得起历史的考验:世界上一直没有比它更大的大会堂,当然,到现在也一直没有超过它的大会堂音质设计。

人民大会堂的音质设计和安装,是中国声学界的第一次大工程,在这之前,声学从未在这么大的空间里得以应用。而且谁能想到,当时中国的声学研究,才刚刚起步了三四年的时间?这一工程对中国的声学科研队伍来说,也是一次演练和提高水平的难得机会。这一声学工程的建成,使中国的声学研究也得到了世界同行的肯定。

微穿孔板技术穿透了时空

1966年,国家准备发射导弹,下了吸声系统研究的任务。导弹发射时所产生的噪声十分强,其功率足够开动一辆卡车,还要伴随高温、潮湿等。在国际上,吸收声音主要靠多孔性材料(如玻璃纤维、矿渣绵等),使声音产生的空气振动在微于L内摩擦、消耗。这种材料遇火就会熔化,遇水即容易腐烂,在一些特殊工程上完全不能使用。根据消除声音的一般原理,马大猷先生作了一个定性判断:在任何板材上打出微孔,应该都能达到消音的目的。

根据不同的声音环境,需要多大直径的微孔、多厚的板材、多大面积的微穿孔板?每平方米板材上要打出多少微孔?微孔板与墙壁之间保持多大的距离?……这些定量的规律性结论前无古人,只能在黑暗中探索前行。

由马大猷先生牵头,中科院声学研究所组织了一个小组攻关。他们在每片面积10平方米、大约1毫米厚的铝板上,靠摇动小钻床,一个、一个地打微孔,速度非常之慢,后来,一位工人想起了修鞋匠的修鞋机,换成用修鞋机的细针,一行、一行地扎,一扎就是一长条的铝板。这样,虽然他们的手指扎出了血痕,但工作速度却大大加快。

不同密度的微穿孔板做好后,马大猷根据不同的声音环境,先在驻波管里测量,然后在混响室里测量,10平方米的一块铝板效果还不太好,就将5平方米的两块铝板层叠起来,做了无数次不同排列组合的实验。

经过两个多月夜以继日的工作,他们终于取得了实验的成功。马大猷不仅执笔写出总结报告,递交给国防应用部门,还提出了微穿孔板制造过程中的具体意见。微穿孔板技术投入国防实际应用,换了别的特殊板材,同样大获成功。

马大猷本想趁热打铁,对微穿孔板技术作系统的理论总结。可是“文革”迫使他中止了。实际上,马大猷接到该课题的时候,“文革”就已经开始。马大猷之所以那么拼命,就是因为他执著地认为:既然叫“文革”,对科学家来说,就是要在科学领域里攻克难关,不断取得革命性的突破。“但是,后来大家都去‘革命’了,我也就被‘革命’了。”马大猷风趣地说。

尽管“文革”风雨如磐,马大猷仍然没有放弃对声学科研的不懈思考。在形势稍有好转的1975年,马大猷阐述微穿孔板理论的第一篇论文,终于在复刊的《中国科学》第一期上发表。微穿孔板理论的确立,使人们在应用微穿孔板时不必做大量繁琐的实验和计算,只需要掌握三个常量,通过一定的公式,即可计算出其它的变量。

马大猷先生为国家做出了突出的贡献,但却从来没有计较过报酬或个人得失。他曾说过:“我们当初对微穿孔板技术攻关时,根本就没有想到任何‘回报’,这也是中国科学院的传统。对于国家战略需求,我们不仅全力以赴提供技术支撑条件,还无偿提供应用样品,国家战略需求中能够想到我们,就是对我们的最大厚爱。” 微穿孔理论在航天领域取得重大突破之后,有关部分曾赠送两个航空模型给他。马大猷先生把它们当作最好的奖赏,一直保留下来。后来,微穿孔理论的影响逐渐超越了国界,甚至在异国他乡的重大建筑工程中发挥了决定性的作用,为我国赢得了巨大声誉。

让德国议会大厦拥有“透明度”

两德统一后,在首都波恩原议会大厦不远处,又兴建起一座新的议会大厦。为了充分体现政治的“透明度”,以及议会开会的“透明度”,让大厦外所有愿意驻足的人们,都可以朝里头观看个清清楚楚,德国建筑设计师别出心裁,大厦四周全部采用透明的玻璃,把大厦的中央议会厅建得像个巨大的圆柱形玻璃罩子。

没想到,1992年12月,新议会大厦第一次启用时,就出了个大乱子,不但给建筑总设计师以迎头一棒,也给狂热鼓噪的媒体迎头一瓢冷水。

那天,国会议员们衣冠楚楚,带着对新大厦竣工后喜悦的神情步入大厦准备开会,女议长西斯穆特春风满面迈上讲台。

“女士们,先生们!” 女议长刚刚说了这么一句话,会议厅里的扩音喇叭就没了声响,议员们只能看到她嘴巴的张合,却听不清她后几句话是什么,一个个面面相觑。当他们意识到肯定是扩音喇叭出了故障,马上叫来了检修音响的技师。

当天议会开会的情况是实况转播,女议长虽然多年政坛生涯,但也难免脸上露出些许的尴尬,台下的议员们更是交头接耳,莫衷一是。明白了是扩音喇叭惹的祸,检修音响看来得花点时间,议员们只好退到外头的休息厅去休息片刻。

让检修音响设备的技师好生奇怪的是:非但中央会议厅电源没问题,音响设备没问题,麦克风也是好端端的!反复试了几次,技师认为议员可以重新回来开会。

但同样的笑话重新上演。议会不得不宣布半途休会,临时转场到不远处的原议会大厦,继续召开他们那已经不可能“透明”的会议。

原来,在议会厅里讲话,声音被四周密度极大而且表面光滑的玻璃墙壁不断地反弹回来,形成了强烈的混响,甚至连讲话者本人都听不清自己在说什么。

有关部门找到弗朗霍夫(Fraunhofer)建筑物理研究所,希望这家德国建筑声学工程的权威机构能解决议会大厦的难题。恰巧查雪琴等几位中国工程师正在与该所开展科研合作,她听说了事情的原委好生奇怪:这等区区小事何足挂齿!

经过周密计算后,查雪琴和德国人一起,在5毫米厚的有机玻璃上,按一定比例打出直径0.8毫米的微孔,然后把微穿孔板准确地安装在会议厅窗前。结果,会议厅里的声音变得格外清晰。

德国坊间舆论的褒赞四起,查雪琴等中国工程师用以指导计算过程的微穿孔板消声理论,以及这一理论的创始人马大猷教授的名字,频繁出现于德国的各种媒体。德国工程师联合会会刊尊称马大猷先生为声学大师。不久,弗朗霍夫建筑物理研究所教授福克斯博士专程飞赴北京拜访马大猷先生。

一辈子的“兴趣”让他耳聪目明

1961年的一天,他带学生到北京的西郊机场做噪声实验,因为噪声控制与飞机制造有关。实验中用铁锤敲打钢板,发出震耳欲聋的声音,他当时感到耳朵受了巨大噪声的刺激,而后左耳听觉就不太好了,再过几年,右耳朵的听力也在逐年下降。到“文化大革命”后期,他不得不在北京同仁医院配了一副助听器。 现在,他的听力在2000赫至3000赫的这一区间依然比正常人下降70分贝左右。但这丝毫没有影响到这位长者继续他的各项工作。即使是到了90岁的高龄,他也依然要每周三次到研究所上班,要指导中青年科学家做研究,而且亲自承担如声学非线性研究这样的重大课题。

尽管青丝已成白发,马大猷仍以热诚的赤子情怀为我国建设“科技强国”鼓与呼:“必须加强基础研究工作,国家的科学水平、经济水平,根本都来源于基础研究!” 他真诚得“揉不进一粒沙子”。他治学严谨,指导研究生,达不到要求的水平,绝不让“出师”,有一个学生学了八年才得到硕士学位。他采用“放羊理论”指导研究生学习———“给你无限的思考空间,像到辽阔无边的大草原上自由驰骋,寻找你要的水和草,等回过头来,再看看你找得对不对。”“中国需要爱因斯坦式的科学家。”“只懂得听老师的话,不是好学生,这会影响到他一生的发展。” 他爱憎分明,痛恨科学“造假”。今年1月,他查阅了很多学术报刊,发现文章的作者署名,一个人的很少,几乎没有,最多的竟有七八个人。他质疑:“科学研究是一项创造性的工作,怎么会凑巧到七八个人同时创造了这个思想?其中肯定有很多人是顺便搭车的。”……可以说真正做到了“耳聪”、“目明”,乐此不疲。

马大猷不喜欢“当官”。他说“我的思想里,大学最高的就是教授,而不是任何别的职位。我对做学问兴趣更大些,觉得更适合自己,这样对国家、对社会的贡献或许也会更大些。” 他曾在一篇自述中说:“我最大的兴趣就是工作,也就是进行声学研究,可以说,我的工作与兴趣是一致的,进行声学研究是由我的兴趣所致,同时带给我很多乐趣,解决重要的科学难题,攻破研究中的障碍,这就是我生活中最大的快乐。”

马大猷先生说数字助听器可以极大程度上矫正听觉,或许人们只有像一辈子对声学研究孜孜以求的他那样,做到“最大的兴趣就是工作”,才能抵抗尘世的喧嚣与干扰,才能保持耳根的清净与聪颖。

(根据《科学时报》《骏马谋大略 长啸声自远》,作者郑千里,2005年11月18日汕头日报《专访中国声学研究奠基人、潮籍中科院资深院士马大猷》等综合改编)