院士马大猷的半世“声”情

吕 斌

提起马大猷,许多人都会觉得陌生。但是在声学界、物理学界甚至科技界,他却赫赫有名。他的个人经历充满了“第一”:他是哈佛大学历史上第一个仅用两年时间就拿到博士学位的人;27岁时,他成为上世纪40年代全中国最年轻的教授;1955年,40岁的他成为最年轻的中国科学院学部委员(院士)之一。他的学术生涯更是充满“第一”:这位以“科学救国”为己任、于上世纪40年代回国的老科学家,不仅在基础研究上取得许多世界水平的成果,更是开创了中国的声学研究———在他和其他科学家的带领下,建造了中国第一个声学实验室、水声实验室、高声强实验室。当年,周总理亲自点将,由他主持完成了北京人民大会堂的音响设计;他90岁时上书温家宝总理,就基础研究和自主创新等问题谏言献策,耄耋之年的老院士,通过特有的方式,向社会表达着自己对科技发展的意见,为加强基础研究而鼓与呼。“立身无愧于天地,志趋不忘为人民”,概括了这位老科学家的人生总结。

清贫乱世艰难求学

1915年马大猷出生在北京,父亲给他起的小名叫“雄才”,上学了就叫“大猷”,其实“大猷”也是“雄才大略”之意。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。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,马大猷报考了北京大学物理系和清华大学机械工程系,由于成绩特别突出,北大和清华两校都录取了他。由于机械工程更接近实践,马大猷倾向于上清华大学,但接到清华大学通知书后,估计每年费用要达到260元。马大猷家境贫寒,父亲早逝,完全靠母亲含辛茹苦抚养他和两个妹妹成人,260元每年的花费对于他这样的家庭实在是太沉重而无法负担,在北京大学,每学期只要交费10元,而且可能得到奖学金,还可以做家庭教师挣钱糊口。所以马大猷最终只好割爱,上不起“富清华”,就上了“穷北大”。到了北京大学物理系以后,马大猷得到了萨本栋、叶企孙、江泽涵、任之恭等老师的指导和培养。很巧的是,在马大猷读三四年级的时候,吴大猷先生学成回国,首次在北京大学的物理系和化学系开设量子力学课,马大猷就成了他的学生,留下了一段“师生大猷”的往事。

1936年马大猷大学毕业时,正好清华大学招考留美公费生,物理学方面的专业是电声学,非常符合他的理想,于是他就去投考了,不久清华大学就通知他被录取。由于按规定出国之前要在国内准备一年,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,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。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,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。

学识兴国成绩斐然

到美国半年后,马大猷转到了哈佛。在哈佛,他做了两件研究工作,一是参加导师韩特和他的助教白瑞奈克的“矩形室中声衰变的分析”,二是完成博士论文“矩形室内的非均匀声边界”。由于这些工作的完成,马大猷被授予硕士和哲学博士学位。1940年,马大猷获得了哈佛大学博士学位,成为该校历史上第一个用两年时间就获得博士学位的人。此时马大猷在美国的去留成了人们关注的问题,许多人以为,已经在美国声学界崭露头角、站稳了脚跟的他一定会留下来大展宏图。然而马大猷却像他的许多师长一样,选择了归国效力的道路。半个多世纪之后,马大猷回忆起当年的选择,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。”马大猷回国后,开始希望能为抗战需要研究一些科学技术问题,终因没有研究课题,遂致力于教学工作。他先是在西南联大工学院电机系任教授,时年25岁,是该校最年轻的两名教授之一。几年后,北京大学筹备创办工学院,31岁的马大猷被聘为筹备主任,后来又成为北大工学院的首任院长。在当时全国著名的工学院中,他是最年轻的一位院长。

1959年,周恩来总理亲自点将,由44岁的马大猷承担了人民大会堂的音响设计和施工任务。

当马大猷第一次看到人民大会堂的设计图纸时,他被水天一色、满天星斗的穹顶设计所震撼,同时也马上意识到椭圆形设计给声学设计所带来的麻烦。“声音传播时最怕弯曲,一弯曲就发出回声。在这个9万平方米的弧形空间里,声音从四面八方反射回来,会造成巨大的回声,整个大厅会陷入吵架一般的嗡嗡声中,什么都听不清楚。”而人民大会堂必须在“十一”之前完工,留给马大猷解决问题的时间只有七八个月。

马大猷的设计构想是:不靠几个大喇叭扩音,而是用一套分散式声源,在台下每两个座位前设置一个扬声器,这样听台上讲话就像从面前传来一样清晰,避免了巨大的回声。但是考虑到人民大会堂经常举办大型文艺活动,欣赏音乐要求音效设计要有一定的保真度,如果仅靠座位前的扬声器,效果不会很好。于是,马大猷又设计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,传播时间控制在1/20秒内,声音听起来就是连续的,即使是坐在最后一排的听众也不会受回声的干扰。

1959年10月1日,党和国家领导人与来自各国的嘉宾汇聚在人民大会堂,当华灯齐放、优美的乐声传遍整个大厅时,人们为这座恢宏壮丽的建筑发出了经久不息的掌声。测试证明其音质的设计、处理是完全成功的。在此后每年的全国人大、政协会议以及各种大型文艺表演中,人民大会堂的音响均达到了理想的效果,两套声源系统也一直使用至今。

人民大会堂音响设备的设计和安装,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经历了三四年的时间。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。

1966年,根据国家地下导弹发射井中噪声控制的要求,马大猷研制了微穿孔板吸声结构,代替国外常用的多孔性吸声材料,它防火性能强,吸声效果好。以后,他又把微穿孔板吸声结构扩展到民用范围,成为噪声控制和改善厅堂音质的重要手段,并逐步形成了他的微穿孔板理论及其应用方法。

1966年马大猷接受的另一个任务是人造地球卫星的噪声试验。为此,他领导了高声强实验室的设计、建筑和安装工作,建成了能产生160分贝的混响室(平常讲话是60分贝)和170分贝的行波管道。经过测试,性能良好。

1982年,马大猷还主持完成了核爆炸产生次声波在大气层中传播的理论、数据处理和电容传声器次声探测系统的建造。这些重大科研成果,使马大猷成为我国战略核武器制造方面的幕后功臣。

1992年12月,在德国首都波恩,新建的联邦议会大厅落成了。不料议会第一次在新大厅里开会就出现了令人难堪的场面。当时电视台正进行会议的现场直播,大厅里的扩声系统却突然中断了工作,工作人员采取了许多应急措施却都无济于事。联邦议会的602名议员因而忿然退出新大厅,回到老大厅去继续开会。这件事震动了德国乃至欧州的建筑界。经事后多方调查原因,发现新大厅昂贵的电声设备本身并无问题,问题出在建筑声学上面。大厅存在严重的声聚焦、声场不均匀以及扩声系统反馈作用影响,使扩声系统受到强声场反射,造成超负荷而突然中断工作。问题找到了,却找不到解决问题的办法,耗资高达2.7亿马克的新大厅面临报废的危险。这时,中国访问学者查雪琴向德国专家提出可以用微穿孔板理论解决这一难题。中德两国专家运用马大猷的理论和方法,新议会大厅的声学难题很快得到圆满解决。马大猷的名字随之传遍了德国的工程界和声学界。德国发行量最大的《图片报》对此作了专题报道,盛赞马大猷的理论和中国学者的成就。马大猷的名字又一次在国际声学界引起了轰动。

耄耋院士赤子情怀

在马大猷看来,一名科学家应当承担起双重使命:一方面要做好自己的科学研究工作;另一方面还要有强烈的责任感。自幼家境贫寒的他,自然能够体察百姓的疾苦,在30多年的政协委员生涯中,他多次仗义执言、直抒胸臆。

曾经有一个时期,北京许多交通要道上都矗立着一个表牌,上面显示着交通噪声的强度,并且制定了交通噪声的限制强度标准———60分贝。这和马大猷不无关系,环境声学的研究和广泛应用是马大猷对国家和人民的又一大贡献。

其实,早在上世纪50年代,他就提出了环境噪音管理的概念,这与百姓生活息息相关。1966年,马大猷就组织进行了第一次北京市交通噪声调查研究工作,撰写出论文。1972年,他开始研究解决地铁噪声问题,找到了电动机设计上的缺陷,经处理后降低了噪声。1973年,他参加第一次全国环境保护会议,提出除废水、废气、废渣以外,应增加噪声为环境污染“四害”之一,并首先在北京、天津等8个大城市,领导开展了环境噪声调查、控制,推动了环境保护研究工作,以后逐渐发展到全国各省市。其中京津渤地区环境噪声评价科研工作,获得了1985年中国科学院科技进步一等奖。同时,他还亲自领导编写教材,先后编著出版了《环境物理学》、《环境声学》、《噪声控制学》等,为全国各地的环境保护部门培训了大批环境噪声科研和管理方面的人才。1982年,他组织完成了《城市区域环境噪声标准》及测量方法的标准制订工作,之后又陆续组织完成了机场噪声、铁路噪声、工业噪声、施工噪声以及各种噪声源测试等多个相关的国家标准的制订、修订,形成了比较完整的环境噪声测量、评价、控制的标准体系。

马大猷一生致力于把嘈杂的声音变得清晰悦耳,可有谁知道,他自己却因此再也无法感受声音的美妙。说起自己听力下降,马老回忆说,1961年的一天,他带学生到北京的西郊飞机场做噪声实验,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,右耳的听力也在逐年下降。到“文化大革命”后期,他不得不去医院配了一副助听器。

如今已94岁高龄的马大猷,不仅每周要到研究所上班,还要指导中青年科学家做研究,而且亲自承担了一些重大课题。马老曾在一篇自述中说:“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。”除了进行科学研究,马老的心血就都给予了他的学生。马老说:“对于学生,长期以来,我始终按世界一流水平来要求,不通融,不马虎,不为社会风气所动摇。”马大猷还对青年人提出一些具体的希望和建议:“青年人是我们的希望,是今后的专家,解决今后的一切问题,最重要的就是打好基础,认真学习。”就科学研究尤其是基础研究,马大猷院士也提出了几点具体建议:要鼓励创新,提出新问题,深入思考,大胆设想;要鼓励自由探索,鼓励讨论和学术交流;同行评议可聘请三五位资历较高的同行科学家进行,不开会,书面评议,完全以业绩为主,绝对保密。

山高自有人行路,水深不乏破浪舟!祝愿马老,壮心不已,更催征骥!