聲音被定義為一種戰術武器!人類戰爭中的聲音定位科學

聲音被定義為一種戰術武器!人類戰爭中的聲音定位科學

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根據《一戰的結束:一個圖形記錄》(The End of The War: A Graphic Record),一戰期間,由美國負責戰爭事務的助理國務卿委託撰寫的一份重要報告中,其卷首寫到,第一次世界大戰並非以一聲巨響結束,而是以一聲嗚咽結束。 

一份幻燈片資料透露了線索。下圖顯示的這份資料上有 6 個線條,描繪了 1918 年 11 月 11 日上午 11 點,停戰前一分鐘和後一分鐘,美國前線在摩塞爾河附近的炮火活動。 

左邊顯示了一系列鋸齒狀的線條 (「記錄了所有的槍聲」),描繪了停戰前一分鐘的炮火活動。右邊則只有流暢的線條 (「所有炮火靜音」),描繪的是停戰後一分鐘內的炮火活動。11 點 1 分 01 秒左右的兩次小波谷是由於慶祝停火而開了兩次槍。除了這幾聲槍響之外,大炮的活動似乎完全停止了,戰場上的槍聲也突然消失了。

1918 年 11 月 11 日上午 11 點,在摩塞爾河附近美國前線的炮火活動《一戰的結束》中寫道,這是美國前線炮火活動的最後一次記錄,圖像是從美國的聲波測距儀發出的。它寫道,「聲音測距是確定敵人火炮位置和口徑的重要手段。」 

當這張照片被刊登在《電力雜誌》(Journal of Electricity) 上時,人們對它的評價甚至更為誇張 ——「真正的歷史是用電書寫的!」 

《一戰的結束》是根據第一次世界大戰期間發明的眾多聲學防禦方法中的一種創作的。 

在一戰開始時,基本上是沒有聲學防禦的概念的。沒有一支主要的軍隊有效地透過敵人發出的聲音來追蹤它的位置。然而,在一戰結束時,為了應對新的進攻技術,每一個國家都發展了新的聲音定位技術,而且每一個國家都在無數場合使用了這些方法,因此產生了新的 「聲音防禦」 模式。

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然而,一種新的進攻性武器的出現並不意味著馬上就會有新的防禦方法。 

根據皇家海軍志願軍預備役上尉阿爾弗雷德・羅林森的說法,敵人很容易躲在暗處。防守方的槍怎麼能擊中他們看不見的物體呢?但是他說,答案其實 「幼稚的簡單,也就是說,雖然我們看不見它,但我們能聽到它。因此,如果我們要射擊的話,既然不能用眼睛瞄準,就必須用耳朵來瞄準。」 不過,他寫道,「無論理論多麼正確,要將其轉化為實踐,還有很長的路要走。」 

直到 20 世紀初,人們對空間聽覺的研究幾乎只局限於聲音物理學或聽覺生理學和聽覺心理學。 

在戰爭期間,空間聽覺被重新定義為一種從戰略角度理解的戰術活動 ——一種可以決定人類甚至國家生存的東西。聽覺空間感知曾經附屬於視覺空間感知,最近被理解為一種重要的技能,「聽覺力量」 突然被映射到民族國家的力量上。 

觀察聲音:聲音成像、聽力碟片和 Baillaud 抛物面 

第一次世界大戰中使用的第一個聲音定位器,很大程度上依賴於 「看到聲音」 的想法。 

有些是基於視覺技術,並將光學科學衍生的原理轉移到聲學領域。 

1916 年,法國陸軍的一名中尉設計了一種 viseur acoustic (「聲學面罩」),這是一種由鏡子和指南針組成的手持設備。士兵使用這種儀器,將自己的臉對準鏡子的中心,這樣他就能同樣清楚地看到自己的耳朵。指南針大概就能給出聲音的方向。

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而英國則進行了聽力碟片的實驗,這項技術是基於這樣一種想法,當碟片朝向聲源時,音像就會在與聲音相反的一側在碟片的中心形成。 

這個想法是利用聲學類比光學上的帕松光斑實現的,帕松光斑是基於光的波動性質,使亮點出現在圓形物體的陰影中心。 

雖然像聲學面罩和聽力碟片這樣的技術既不是特別有效也不是切實可行的,但在戰爭中出現的最持久的聲防禦技術之一 ——Baillaud 抛物面 —— 也是基於視覺技術。 

歷史上曾經有一些聲學反射器的例子,但是第一個專門為軍事用途設計的抛物面聲學反射器是在 1915 年由 René Baillaud 發明的,它的外形類似盤子或者碗。Baillaud 是圖盧茲天文臺的天文學家,他以牛頓望遠鏡為原型設計了自己的裝置。他的設計基於一個前提,即抛物面必須具有相同的反射特性,無論它們反射的是光還是聲音。 

René Baillaud (左) 和一名法國士兵 (右) 在巴黎天文臺的屋頂上操作一個木制的 Baillaud 抛物面的照片。來源:Baillaud 1980, 144

在 Baillaud 的回憶錄中,一系列的照片展示了聲學抛物面經過大約一年的密集實驗的發展。我們發現了尺寸越來越大的儀器,直徑從 60 公分到 3 公尺不等,形狀各異,而且抛物面看起來不太像凹形盤子,而更像深碗。它們結構不同,其中一個由四個抛物面堆疊成兩排,因此原本在最大焦點處聆聽的一名操作人員變成了兩名,兩人分別坐在儀器的兩端,並用手輪轉動儀器。 

我們還發現了自動航跡繪圖器的引入,這是一種追蹤操作人員運動的成像技術,進而產生飛機軌跡的可視記錄。 

多方位聲音定位:四喇叭聲音定位器 

第一次世界大戰期間,軍用飛機會發出幾種聲音:螺旋槳的旋轉聲、發動機的聲音,以及由空氣和飛機機體之間摩擦引起的振動聲。然而,最響亮、最容易識別的聲音是所謂的飛機 「排氣音」。 

各種飛機的排氣音範圍在 80 赫茲到 130 赫茲之間,雖然這個音調在飛機運動時有所變化,但它總是一個低頻的聲音。 

為了反映飛機的低頻聲音,各個國家軍隊都開發了喇叭聲音定位器,用能反映低頻聲音的大圓錐形喇叭取代了火炮測距裝置中的小喇叭。 

根據劍橋大學生理學教授、20 世紀初英國防空實驗組主任 A. V. Hill 介紹,英國陸軍研製的第一種喇叭聲音定位器只有一對大喇叭,其直徑約 40 英寸。1917 年,該裝置首次用作倫敦防空防禦的一部分,它只能確定敵機的水平方位。幾乎立即開發的第二種型號定位器有兩對喇叭,有時被稱為 「四喇叭」 聲音定位器。一對喇叭用於確定飛機的高度,而另一對喇叭用於確定它的水平方位 (方位角)。 

「多方位」 喇叭定位器需要兩名監聽員,即 「雙耳」 的聆聽模式。 

每個監聽員都透過一個只連接一組喇叭的類似聽診器的雙耳聽筒。一名監聽員只聽飛機的高度,而另一名則聽飛機的水平方位。因此,用監聽員的綜合聽覺來追蹤飛機,這是透過兩個人的耳朵的聲級來確定的,這個過程被稱為 「包圍聲音」。 

四喇叭聲音定位器是一種重型、勞動密集型的設備,運輸和使用都需要付出相當大的努力。此外,透過喇叭聲定位器聽聲音幾乎總是在任何實驗室都無法複製的不利條件下進行的。軍事操作員幾乎總是在黑暗中工作,這本來就是一項艱巨的任務,他們經常在惡劣的天氣和混亂可怕的戰鬥環境中聆聽。 

據說士兵們在戰鬥中容易瞬間失聰;士兵們回憶說,「看到士兵的耳朵在流血。」 

使用聲音定位器時,聽力損傷和聽者疲勞是常見的。不僅聽者在不熟悉和不可預知的環境中從事困難而費力的活動,而且幾乎可以確定他有死亡的風險。 

在這種情況下,「加強監聽」 是一個極端的命題。 

監聽員的耳朵訓練:聲學測角儀 

鑒於在這種極端條件下監聽的不穩定性質,軍事監聽員接受了廣泛的培訓,以培養他們的定向聆聽技能。關於聲學測角儀(一種法國設備)的軍事手冊包含有關 「聲音觀察者的培訓」 和 「監聽員的耳朵培訓」 的段落。 

這些段落詳細描述了軍事監聽員必須進行的各種耳朵訓練練習才能獲得操作聲學測角儀的資格——喇叭聲音定位器。 

聲學測角儀聽力練習分五個階段進行。在第一階段,監聽員聆聽大約 100 公尺外的固定聲源。助手透過數數、拍手或吹喇叭來提供聲音。隨後助手移動到另一個點,而監聽員則需要將儀器重新對準他。第一個練習用於淘汰不可靠的監聽員。如果監聽員的 「聲學目標」 偏離太多,它將不被允許進入第二階段。 

在第二階段,助手模仿移動的聲源,在距離監聽員大約 150 到 200 公尺處以大約每秒 1 公尺的速度行走時產生連續的聲音。監聽員試圖透過不斷地將測角儀重新對準助手來追蹤聲音。一位站在監聽員和助手之間的教官隨意吹口哨。在這些點上,助手停止移動,監聽員的聲學瞄準將得到驗證。 

在第三和第四階段,監聽員追蹤實際飛機的聲音,首先追蹤其水平方位,然後追蹤其高度。在第五階段,也是最後階段,兩名監聽員同時追蹤一架飛機,一名監聽員監聽飛機的水平方位,另一名監聽飛機的高度。決定監聽員 「應該每天系統地接受培訓」,每天的聽力練習 「絕對不可或缺」。如果監聽員不每天練習,他會 「很快就會失去定位飛機的效率」。 

Perrin 遙測儀

Perrin 遙測儀早期模型的照片,帶有兩個聲音定位器。 

一戰中機械上最複雜的聲音定位儀之一是佩蘭遠距測距儀 (télésitemètre Perrin),它以法國物理學家尚・巴蒂斯特・佩蘭 (Jean Baptiste Perrin) 的名字命名。 

其原理是錐形喇叭所能達到的聲音放大量必然受到喇叭尺寸和長度的限制。為了增加聲音定位器的放大功率而不是其尺寸,Perrin 設計了一個接收器,該接收器將數十個基本喇叭聚集在六邊形蜂窩狀巢穴中。這些 「喇叭」 透過一套管子連接到中央喇叭,兩名監聽員分別透過額外長度的管子進行雙耳收聽。這個被稱為 「myriaphones」 的多喇叭組合將使設備能夠收集大量聲能,而儀器本身可以保持相對較小,因此在運動戰的背景下是可行的。 

根據 A.V. Hill,許多人認為 Perrin 遙測儀比喇叭聲音定位器給出了 「更確定的中心位置」,並且使用遙測儀,聲音在兩隻耳朵之間傳遞的感覺似乎 「更明顯」。 

聽力的新領域 

第一次世界大戰期間,出現了一支軍事專家級監聽員,他們感知聲音位置和方向的能力成為軍事行動中的一項關鍵資產。 

在法國,軍事監聽員每天都接受培訓,軍方認為定向聆聽是可以透過聽力訓練來培養的技能。在聲學防禦的背景下,「好的監聽員」 不一定是聽得好的人。相反,一個好的監聽員是能夠使用他們的空間聽覺來定位和追蹤聲音來源的人。 

在戰爭過程中,聲學防禦技術變得更加複雜,不僅在其日益複雜的設計方面,而且在它們所需的監聽類型方面。後來出現了合作和協作的監聽模式,其中涉及幾個監聽員以及其他團隊。他們協同工作來感知和解釋聲學活動。尤其是在戰爭後期,在聲學防禦環境中進行監聽是集體努力的結果。 

幾乎每一種防禦性監聽行為都涉及一系列複雜的程式,需要專業知識、多位監聽員和其他觀察員之間的合作以及人員團隊之間的溝通。通過這種方式,監聽變成了一個分散在許多人之間的過程,每個人都被分配到 「監聽行為」 的不同部分。 

同時,監聽行為本身也從個人在日常環境中進行的單一、連續、連貫的行為重新配置為一組由審計人員在極端戰爭條件下進行的系統化、離散的行為。 

由於軍事監聽員的作用是監聽並不斷報告他的發現,因此進一步將監聽重新配置為資料收集行為。 

軍事監聽員通常不會像聲學感測器那樣解釋聲音的含義,而他的角色基本上是觀察和報告物理聲學資料。 

從這個意義上說,軍事監聽本質上是一項機械任務,預示著當代形式的機器監聽。 

人類監聽員透過制定功能性和高度合理化的監聽模式來執行機器今天執行的功能:聲音研究學者 Jonathan Sterne 稱之為 「聽覺技術」 的軍事化形式。 

透過聲學防禦,監聽同樣被重新配置為感知、觀察或視覺繪製聲能,而不是僅僅 「聽到」 聲音。 

在一些聲學防禦方法中,聲音的視覺表示以及與聲學活動相關的計算取代了聽覺,例如確定風和溫度等大氣條件對特定日期聲音傳播的影響。 

換句話說,在聲學防禦中,聲音 「聽起來」 的方式並不總是很重要。相反,在許多情況下,聲音的物理行為才是聽力方程式中最重要的部分。 

如果聲音不只是可以聽到的東西,而是可以被感知的東西,或者實際上是被觀察到的,那麼它的定義也必須改變。 

在戰爭開始時,聲音通常被理解為 「某些振動運動對聽覺神經產生的影響」,這一定義被希爾引用為標準。然而,這一定義並不總是適用於聲學防禦,因為正如一位軍事領導人所寫的那樣,有時有必要考慮聲音,「而不考慮耳朵最終能探測到的聲音」。因此,希爾建議對聲音的一個更恰當的定義應該是 「一種物質的振動運動,這種運動是聽覺器官所響應的。」 

雖然這與關於聲音的成熟想法是一致的,但聲學防禦技術使我們能夠以一種有形的方式體驗聲音,就像 「物質的振動運動」 一樣。 

聲學防禦同樣使 「聲音傳播」 的概念具體化。成千上萬的人,包括軍事監聽員,以及許多生活在空中轟炸威脅下的平民,他們面對的不是可見的聲音,而面對的聲音的傳播路徑。聲學防禦使聲音移動的想法變得合理,並且透過將聲音定位用於目標的移動,人們可以重新定義歷史本身。 

 

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