名词解释 | 模态

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前言

模态，从百度百科目前能检索到的两个词条来看，它是指结构系统的固有振动特性，包括模态频率、模态阻尼和模态振型。

Is it？

以我这个行外人的认知来看，这么说其实是不严谨的，因为很多领域都有模态的概念，但是这些“模态”往往不是一个含义。比如说，上知网以“模态”为关键词检索一下相关文献，得到的学科分类包括这么多：↓

以上占比从大到小分别是：?电力工业、?自动化技术、?建筑科学与工程、计算机软件及计算机应用、航空航天科学工程、汽车工业、机械工业、公路与水路运输、工业通用技术及设备、金属学及金属工艺、外国语言文字、电信技术、力学、铁路运输、气象学、船舶工业、中国语言文字、临床医学、动力工程、矿业工程等。

上面“那个”模态属于振动力学领域的概念。据鄙人所知，其它领域的研究也经常出现这两个字，不过大部分报告人并不会解释所指模态的含义或基本概念，可能是因为太“显然”了吧。

话说回来，这个词为何会引起鄙人的兴趣呢，主要是三个事：

一是鄙人有一阵子比较关注的“EMD经验模态分解”信号分析技术；

二是检索资料的时候看到一个“模态空间”的概念，以及一个叫模态空间的公众号，这个号也经常分享一些与“振动和声音”相关的知识；

三是偶然间看到一篇海洋科学领域的推文（研究论文）里也多次出现了“模态”这个关键词：↓

这个词好像很常见，但是感觉又有点陌生或抽象。于是，鄙人就对这个词产生了兴趣。

所以，“模态”究竟系虾米嘞？我们这些吃瓜群众又该如何理解“模态”呢？

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模态是什么？

“模态”可以指很多东西，以及很多不是东西的东西。“模态”对应的英文单词是“modal”，与“模特”的英文单词“model”只有一个字母之差，但含义天差地别。。

强行插图

“模态”这个词在不同的领域可以有不同的含义，也可以有相同或相近的含义：

在哲学中，“模态”是一个涉及可能性、现实性和必然性等概念的术语。模态逻辑是专门研究这些概念的逻辑分支。模态逻辑是一种扩展了经典逻辑的系统，它允许我们讨论命题的必然性和可能性，而不仅仅是它们的真或假。模态逻辑在哲学、计算机科学、人工智能等领域都有应用。

在音乐学中，“模态”指的是一种音乐调式，它是一种音阶结构，与大调和小调不同。例如，传统的西方音乐中有多（七）种教会调式（如伊奥尼亚、多利亚、弗里吉亚、利底亚、混合利底亚、艾奥利亚、洛克利亚等），这些都是模态的一种形式。

鄙人这种五音不全的人也能察觉这两种风格存在明显差异。值得一提的是，音乐作品一般都不会严格遵循某一调式，但它们的主旋律或声结构会在某些部分体现了相应调式的特点。至于“调式”又是什么东西，我们留到下一期聊“音色”再来探讨。

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在心理学中，“模态”可用来描述感知或认知的方式，例如视觉模态、听觉模态等，指的是通过不同感官渠道感知信息的方式。

在认知科学中，“模态”可以指代信息的表达方式，比如视觉模态、听觉模态等，它们是大脑处理信息的不同方式。

在计算机科学中，“模态”可以指数据或信号的不同形式或特征。例如，在多模态学习中，系统可以从不同的数据来源（如文本、图像、语音）中学习和理解信息。也可以指代用户界面中的模态窗口，这是一种特殊的窗口，它要求用户与之交互后才能继续其他操作。

在统计学中，”模态”指的是一组数据中出现次数最多的值。它是数据集中的众数（mode），可以用于描述数据的集中趋势。

在物理学中，“模态”的概念主要用于描述波动现象、振动模式以及某些系统的特征模式，如振动模态、声学模态、电磁模态、量子模态等。模态分析是一种用于确定物理系统（如机械结构或电磁系统）固有振动模式的方法。

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模态有啥用？

通过对结构系统进行模态分析，可以识别和避免系统的共振现象，这在航空航天、汽车制造、土木工程等领域尤为重要。这是模态的概念在专业领域的主要应用之一。（这部分应用比较抽象，感兴趣的可以视频号或B站搜索“声音的形状”看看一些比较接地气的民间实验。）

被鄙人搁置的实验器材

在我们的日常生活中，信息以多种形式不断涌入我们的感官，我们通过视觉捕捉影像，通过听觉感知声音，通过触觉感知物体的质感。每一种感官都是独立的，但它们又能共同作用，为我们提供了一个完整的世界体验。这种整合多种感知方式以理解和处理信息的能力，被称为“多模态”现象。

举个例子，情侣一块看电影获取的可能就是多模态信息（视觉+听觉+触觉），单身狗看电影获取的就是双模态信息（视觉+听觉），而盲人看电影获取的就是单模态信息（听觉）。

在科技领域，随着人工智能的迅猛发展，“多模态”技术也在不断进步，可帮助机器模拟和理解人类的多感官信息处理能力，从而实现更自然的人机交互和更智能的数据分析。

目前，多模态技术能够处理的数据类型包括但不限于文本、图像、声音、视频等。多模态系统能够整合这些不同类型的数据，以提高对信息的理解和处理能力。在人机交互中，多模态界面可以结合视觉、听觉和触觉等多种感官输入，提供更加丰富和直观的用户体验。

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多模态概念在海底探测中的应用

在稍微理解“模态”的概念之后，我就开始思索多模态概念如何应用到海底探测中……

参照一个不成文的定律：凡是你能想到的，至少已经有三个人想过甚至做过了。

你可以直接找个AI工具问：多模态概念在海底探测中有哪些应用？

确实会有答案，不过得到的可能还是一堆看不大懂的回答。

我们先往大了聊聊地球科学。从鄙人的知识背景和目前所理解的模态概念来看，地球科学的每个二级学科得到的认识都是我们了解地球的一个大模态，每个大模态下又有很多小模态，每个小模态下又有很多小小模态，……

事实上，每个模态，不管大小，都是有待完善的，并且都有可能衍生出新的模态。

以鄙人谈不上熟悉的“D0603 海洋地质学与地球物理学”为例，海底探测用到的大部分技术应该都是用来服务这门学科的，比如说多波束、侧扫、浅剖、重力、磁法、电法、地震勘探、钻探、测井等等等。

海洋科学（D06）包括海洋科学和极地科学两个一级学科领域。海洋科学是研究海洋的自然现象、变化规律及其与大气圈、岩石圈、生物圈、土壤圈、冰冻圈的相互作用和开发、利用、保护海洋有关的知识体系。

D0603，海洋地质学与地球物理学，通过地质、地球物理、地球化学等方法研究海洋底部物质组成与 结构、地质构造和演化规律的科学。鼓励结合海洋大数据，创新地球物理探测的新方法和新技术，发展地球动力模拟新方法，促进深海、深部、深时地球动力学研究，完善和发展全球板块构造理论。

国家自然科学基金委员会

从这些探测技术原理来看，它们分别是利用了海底及地下介质的散射、反射、重力场、磁场、电阻率、波阻抗、岩性等特征。鄙人认为，以上所有特征都可归为地球物理特征，而所有的地球物理特征都是地质的一种模态。

事实上，海底探测中并不缺乏“多模态”概念的应用。例如，海洋工程综合勘察中，多波束测量地形、侧扫声呐测量地貌、浅地层剖面仪测量底质结构、磁力仪测量磁异常、钻探测量岩性，等等等。这些结果综合起来可以为海洋工程的选址、设计、施工和运营提供科学依据，降低风险，提高工程的成功率和社会效益。

以下是一些优秀的实施案例：

by M. Jakobsson from the Lyell Collection

from Oy Meridata Finland Ltd

by Woods Hole Coastal and Marine Science Center from USGS

by Benjamin Bellwald from Marine Geology

by D.刚零 from an Unknown Case

3D View of SBP and Bathmetry

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后记

着手写这篇推文时，鄙人对模态的概念可以说是一无所知，除了一些字面意思和相关技术名词。显然，现在也只是一知半解，不过鄙人发现这种状态有利于发散思维。所以，本文的初衷只是抛砖引玉，寻找感兴趣或者有共鸣的人士，欢迎批评&指正。

写着写着写着，从对一个“词”一无所知，到形成自己的见解，前后经历了多久已然记不清，基本上是想到了、有空了就添一点。对前阵子分享的那句话更有感触了：写东西就是在纸上思考。而思考让我感觉自己还活着。

人与人交流的乐趣在于分享自己的见解，虽然不一定总能得到认同，但如果能得到智者的有益建议，那不也是一种收获？

最后分享最近的三个感悟：

感悟一：在日常与人交流过程中，尤其是有些场合，我们免不了要注意措辞，似乎有些人天生就健谈、能说会道，而有些人生来就寡言、笨口拙舌。当然，也有人是话唠，但说的话颠三倒四、黑白混淆。有的是有意为之，叫做忽悠，有的是无意为之，叫做无知。

PS：我也不知道自己为啥突然有这段感悟。

感悟二：2024年8月21日，国际顶级期刊《Nature》发表了海洋二所李家彪院士为通讯作者，张涛为第一作者的论文“超慢速扩张加克洋中脊的高变化岩浆增生”。这一成果首次证明了超慢速扩张加克洋中脊整体超强变化、局部异常丰富的岩浆活动特征，极大丰富和完善了全球洋中脊动力演化理论，在全球板块构造领域发出了中国科学家的声音。说实话，作为涛哥曾经的队友之一，鄙人对这一成果并不感到意外，祝贺涛哥。

回过头再看看D0603的最后一句介绍，你是否找到了发Nature的奥秘？

感悟三：前阵子公布的国家自然科学基金资助项目中，鄙人今年申请的青年基金项目很幸运地被选中了，这无疑是意外之喜，祝贺自己。其实，在三月份提交完申请书之后，为了避免再次失望，我“关闭”了自己对这件事的期望，把精力都放在其它事务上。然而，不过是否抱有期望，该做的事情还是得尽自己最大的努力去做好。万一幸运真的来了呢？或许，一切都是最好的安排。

文章来源：网络