1秒究竟有多長？記者探訪中國計量院“中國最準的表”

秒殺、秒懂、秒退……這些我們常掛在嘴邊的詞，表示在瞬間完成某個動作，但這轉(zhuǎn)瞬即逝的1秒到底有多長？記者在中國計量科學研究院（以下簡稱中國計量院）時間頻率實驗室找到了答案。

近日，在市場監(jiān)管總局組織的媒體開放日活動上，新京報記者先后走進了時間頻率實驗室、聲學實驗室和電磁兼容試驗室，聆聽有趣的計量史學，觸摸精密儀器，感受生活中無處不在的計量科學。

地下二層試驗室探尋“中國最準的表”

時間頻率實驗室位于地下二層，相當于在地下16米的位置。在這里，記者看到了一排設(shè)備，其中有三臺設(shè)備標著不同的時間，分別是本地原子時、協(xié)調(diào)世界時、中國標準時間。中國計量院時間頻率計量中心工程師楊東方指著中國標準時間介紹，“這是中國自己獨立保持的最準的表。”

時間頻率實驗室有三臺設(shè)備標著不同時間，分別是本地原子時、協(xié)調(diào)世界時、中國標準時間。新京報記者 陳琳 攝

如果問1秒有多長，用“一天24小時，一小時60分鐘，一分鐘60秒”來算，一天可以分為86400份，每一份即為1秒。楊東方表示，這種通過觀測天體運行得到的時間叫天文時。由于地球公轉(zhuǎn)速度并不均勻，自轉(zhuǎn)速率也不均勻，時快時慢，“所以導(dǎo)致我們每一天的秒都可能不一樣?！?/p>

盡管秒的變化幅度不過千萬分之一，但隨著航天、軍事等活動的開展，如此定義的秒長已經(jīng)無法滿足實際需求。

1967年，第十三屆國際計量大會通過決議，將基本時間單位“秒”的長度定義為無干擾的銫133（133Cs）原子基態(tài)的兩個超精細子能級間躍遷9192631770次所持續(xù)的時間。這一定義取代了通過天文觀測定義的秒長，解決了天文時間的不均勻問題。

國際原子時（TAI）以銫原子秒長為基本時間計量單位，以1958年1月1日0時為時間原點。目前，全球80多個守時實驗室的400多臺商品原子鐘參與國際原子時計算，僅有少數(shù)國家，包括美、俄、中、法、德、日等國銫噴泉原子鐘獲準駕馭國際原子時。

之所以叫“噴泉鐘”，是因為銫原子鐘的工作過程是激光冷卻后的銫原子團向上拋起，再自由下落，同時銫原子團在微弱的熱運動下膨脹，形似噴泉。2014年，中國計量院研制的銫原子噴泉鐘NIM5，作為秒長國家基準成為國家時間頻率量值的源頭，目前，其不確定度相當于4600萬年不差一秒。同年通過國際計量局評審參與駕馭國際原子時，使得中國在國際原子時合作中擁有了“話語權(quán)”和表決權(quán)。

“我們把時間做得這么準，并不僅是為了讓大家日常看表計時，它最主要的用途是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。”中國計量院時間頻率計量中心副研究員劉昆介紹，速度乘以時間等于距離，時間越準，定位的精度就越準。中國計量院2010年研制的銫原子噴泉鐘有兩臺，其中一臺作為北斗系統(tǒng)的地面基準鐘送到了北斗定位中心。除了衛(wèi)星導(dǎo)航，原子時也應(yīng)用在智能電網(wǎng)上，為了確保發(fā)電機的穩(wěn)定運行和電網(wǎng)安全，發(fā)電時需相位保持一致，因此在時間上要特別精確。

消聲室可以測量到腸胃蠕動的聲音

走進聲學實驗室（消聲室），像是走進了一個大型的蹦床——地面是懸在半空中的一張地網(wǎng)，走上去就像在蹦床上一般可以上下?lián)u晃。密閉的空間里，墻壁、地板和天花板均鋪滿吸聲材料。在實驗室內(nèi)說話沒有回聲，保持不動時利用最靈敏的傳感器甚至能測量到自己胃腸蠕動的聲音。

中國計量院力學與聲學所副研究員牛鋒介紹，為了測量設(shè)備輻射出來的噪聲，包括聲壓級和聲功率級，需要一個測試場所能夠屏蔽外界干擾，去除反射聲音的影響。消聲室就是一間沒有反射的房間，其各個墻壁上均鋪設(shè)有吸聲性能良好的吸聲材料，以消除室內(nèi)聲波的反射，從而創(chuàng)建一個近似于自由場空間的環(huán)境。

消聲室主要用于聲學測試和研究，為工程師和研究人員提供一個低噪聲、無干擾的聲學環(huán)境，以精確測量和分析聲音的物理特性。

牛鋒介紹，在這里可以做很多科學研究，比如現(xiàn)在室內(nèi)中間就放置著聲學照相機和音箱，聲學照相機用來捕捉和定位聲音，通過16個揚聲器來形成任意一個角度都能發(fā)聲的虛擬聲源，來校準被測設(shè)備，比如智能音頻設(shè)備、智能音箱、耳機等。

消聲室內(nèi)通過16個揚聲器形成任意一個角度都能發(fā)聲的虛擬聲源，來校準被測設(shè)備。新京報記者 陳琳 攝

聲音的強弱等級用分貝來表示。牛鋒介紹，人類感知聲音的下限是20微帕，以其為參考值，對應(yīng)的聲壓級是0分貝，0分貝并不是完全沒有聲音，而是指聲音的強度低到人耳剛剛能夠感知的程度。這間消聲室能夠測到最低的數(shù)據(jù)是-2.4分貝?！霸谙暿依?，耳膜可能會些不適應(yīng)，因為沒有反射、背景噪聲也太低；但這些都是聲學測量需要的環(huán)境條件，測量時人會在外面的控制室里，如果人在里面，我們可以測量到腸胃蠕動的聲音?！?/p>

全消聲室一般用于聲學計量儀器的型式評價試驗，劇場使用的線性聲源陣列的指向性測量，各個廠家生產(chǎn)的所謂“靜音”或者“超靜音”設(shè)備的測試，通常標稱30分貝以下的儀器設(shè)備都需要在這樣的環(huán)境中測試。

而全消聲的環(huán)境在通常生活中是不存在的，除非懸掛在高空中，平時接觸到的環(huán)境，更類似于半消聲室，比如空曠的草坪、停機場、大型車間等。因此，諸如冰箱、洗衣機等家電設(shè)備以及大型設(shè)備的噪聲要求一般都是在半消聲室環(huán)境下測量的。半消聲室已經(jīng)為北汽、清華等廠家和科研院所提供了轎車的聲傳遞函數(shù)測試，即發(fā)動機噪聲如何傳遞到主駕、副駕等，以及如何評價、改進。

消聲室、半消聲室還可以廣泛用于環(huán)保部門進行噪聲污染超標與否的仲裁。此外，機動車鳴笛抓拍系統(tǒng)，通過傳聲器（麥克風）陣列采集聲音，過濾掉背景噪聲，如剎車聲、引擎聲等，通過圖像比對同步捕捉并鎖定違禁車輛，生成聲波顯示圖片、車輛全景、近景和車牌照片，作為處罰依據(jù)。目前，鳴笛抓拍系統(tǒng)已在北京、廣州、?？诘榷鄠€城市得到應(yīng)用。

汽車上市前需要通過電磁兼容檢測

隨后，記者參觀了電磁兼容試驗室。這是一間半電波暗室，其外殼是一個由金屬板封閉起來的六面體，用于屏蔽外部的電磁波干擾進入暗室內(nèi)部；墻壁和房頂貼了高性能電磁波吸波材料，用于吸收電磁波消除反射。只有地面使用導(dǎo)電地板，不覆蓋吸波材料。

中國計量院信息與電子研究所工程師王少華介紹，這個半電波暗室主要用來做電磁兼容試驗，包括工業(yè)、科學、醫(yī)療設(shè)備，信息技術(shù)設(shè)備，汽車整車，汽車零部件的電磁兼容試驗等。

電子電氣設(shè)備工作的時候會向外輻射電磁波，同時，電子設(shè)備也容易受到電磁干擾。使用吹風機的時候，電視可能會被干擾導(dǎo)致出現(xiàn)異常畫面就是電磁干擾現(xiàn)象。如果電子設(shè)備的電磁輻射過大，會對其他設(shè)備造成干擾，可能引發(fā)其他設(shè)備的誤動作或功能失效。如果電子設(shè)備抗干擾能力不足，輕則導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，重則引發(fā)安全事故。

電磁兼容試驗室內(nèi)，汽車正在接受電磁干擾測試。新京報記者 陳琳 攝

比如，汽車作為一臺大型的電子設(shè)備，具備多種功能，尤其是新能源汽車，配備了多種傳感器，像雷達、攝像頭、麥克風等，智能化程度越來越高，集成的電子元器件越來越多。如果汽車的抗電磁干擾能力不足，車輛在行駛過程中會受到其他電磁干擾，可能導(dǎo)致控制功能故障或其他功能失效，存在極大的安全隱患。因此，電磁兼容成為產(chǎn)品設(shè)計中需要考慮的關(guān)鍵一環(huán)，電磁兼容也成了一個重要的評價指標。

“國家標準對汽車的電磁兼容性要求很高，汽車上市前需要通過電磁兼容檢測?！蓖跎偃A說，汽車向外輻射的電磁波不允許超過標準規(guī)定的限值，同時汽車需要具備抗電磁干擾的能力。因此，需要在實驗室做電磁兼容試驗。

此外，靜電放電抗干擾試驗也是電磁兼容的一項試驗，模擬人體帶靜電向被測設(shè)備放電?！氨热?，我們冬天開車拉車門的時候，經(jīng)常會對門把手突然產(chǎn)生靜電放電。其實，靜電的電壓高達幾千伏甚至上萬伏，可能導(dǎo)致設(shè)備數(shù)據(jù)丟失或功能損壞，靜電放電抗擾度試驗也是汽車和其他很多電子設(shè)備都需要做的試驗?！痹趯嶒炇沂褂渺o電放電發(fā)生器，向被測設(shè)備或者汽車的各個部位施加靜電放電，比如車門、方向盤、換擋桿、顯示屏幕、按鈕、車燈、雷達等部位，檢測其功能是否失效。

新京報記者 陳琳

編輯 白爽 校對 陳荻雁