張軍

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的， 固體、液體、氣體都能振動(dòng)發(fā)聲。但是，物體的振動(dòng)很難用肉眼直接觀察到。比如，標(biāo)有“440”字樣的音叉被敲擊后，每秒振動(dòng)440次，眼睛根本看不清楚。物理上用頻率來(lái)描述物體振動(dòng)的快慢，每秒振動(dòng)440次，頻率就是440赫茲;每秒振動(dòng)100次，頻率就是100赫茲。并不是所有的振動(dòng)都能引起人的聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)，20～20000赫茲的聲波傳到人耳時(shí)才能被聽(tīng)覺(jué)感知，這就是我們聽(tīng)到的聲音。低于20赫茲的叫次聲波，高于20000赫茲的叫超聲波。大象、水母、45魚(yú)能對(duì)次聲波產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)，蝙蝠、海豚能對(duì)超聲波產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)，狗既能聽(tīng)到次聲波也能聽(tīng)到超聲波。

今天，我們就通過(guò)幾個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，來(lái)“捕捉”這些看不見(jiàn)的振動(dòng)。

如何看見(jiàn)音叉的振動(dòng)

在科學(xué)研究中，有些現(xiàn)象難以直接觀察，可是這些現(xiàn)象引起的其他現(xiàn)象卻容易觀察，我們就可以通過(guò)觀察那些顯而易見(jiàn)的現(xiàn)象，來(lái)間接地感知不容易觀察的現(xiàn)象，這種方法叫作轉(zhuǎn)換法或者轉(zhuǎn)化法。通過(guò)測(cè)量容易測(cè)得的物理量來(lái)間接測(cè)量不容易測(cè)量的物理量，也是轉(zhuǎn)換法。

我們可以用多種方法來(lái)“轉(zhuǎn)化”音叉的振動(dòng)。

方法一：接觸水面。水花濺起，表明音叉在振動(dòng);沒(méi)有振動(dòng)的音叉是不會(huì)激起水花的。把這兩種現(xiàn)象放在一起對(duì)比，這叫比較法（圖1）。

方法二：觸碰繃緊的紙面。紙面隨之振動(dòng)，發(fā)出我們能聽(tīng)到的聲音。如果紙面振動(dòng)的規(guī)律和我們說(shuō)話時(shí)聲帶的振動(dòng)規(guī)律相同，我們就能聽(tīng)到紙片“說(shuō)話”了（圖2）。

方法三： 靠近彈性小球。用透明膠帶把線固定到乒乓球上，讓?xiě)业醯钠古仪蚩拷舨妫Y(jié)果乒乓球被彈開(kāi)了（圖3）。但請(qǐng)大家注意，乒乓球被彈開(kāi)的次數(shù)并不是音叉振動(dòng)的次數(shù)！

方法四： 觸碰手指甲。手指甲會(huì)有麻麻的感覺(jué)，這種感覺(jué)非常奇特，觸碰一次能讓你終生難忘（圖4）。

剛才的轉(zhuǎn)化中，有通過(guò)視覺(jué)轉(zhuǎn)化的，比如濺起的水花、彈開(kāi)的小球;有通過(guò)聽(tīng)覺(jué)轉(zhuǎn)化的，比如紙面振動(dòng)發(fā)聲;有通過(guò)觸覺(jué)轉(zhuǎn)化的，比如手指甲有麻麻的感覺(jué)。

敲鑼打鼓背后的科學(xué)

現(xiàn)在我們來(lái)敲鼓，鼓面振動(dòng)發(fā)出了聲音。但是，鼓面的振動(dòng)難以觀察，我們就可以使用轉(zhuǎn)換法。在鼓面上放一些輕小的物體，比如紙團(tuán)，比如泡沫小球，比如米粒，鼓面振動(dòng)時(shí)，會(huì)讓這些輕小物體跳動(dòng)起來(lái)，而且鼓面振幅越大，輕小物體跳得越高（圖5）。我們可以說(shuō)，這些輕小物體把鼓面的振動(dòng)“放大”了。我們給“放大”加了一個(gè)引號(hào)，表示我們并沒(méi)有讓鼓面振動(dòng)得更厲害，只是現(xiàn)象本身更容易觀察了。

但是，請(qǐng)大家注意，輕小物體跳動(dòng)的次數(shù)也不等于鼓面振動(dòng)的次數(shù)！

請(qǐng)同學(xué)們?cè)贉?zhǔn)備一只高腳杯，我們可以通過(guò)敲擊、摩擦等方式讓它振動(dòng)發(fā)聲。敲擊，大家都很熟悉了，但是摩擦未必都知道。左手按住杯腳，右手食指蘸些水，在杯口輕輕摩擦，大家就能聽(tīng)到玻璃杯振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音了。蘸水的目的是調(diào)節(jié)手指與杯口間的摩擦?，F(xiàn)在往杯子里加水，再來(lái)聽(tīng)一聽(tīng)聲音，音調(diào)變低了。把水加多一些，再來(lái)摩擦，音調(diào)會(huì)更低。我們仔細(xì)觀察一下水面，水面上有很多細(xì)小的、密集的波紋，這就可以顯示玻璃杯的振動(dòng)了（圖6）。振動(dòng)具有周期性，我們看到的波紋也有一定的周期。我們甚至可以看到濺起的水花，這是因?yàn)檎駝?dòng)需要能量的激發(fā)，同時(shí)振動(dòng)本身也帶有能量，這種能量還可以向外傳播。

以敲鑼為例。槌的敲擊對(duì)鑼面造成擾動(dòng)，鑼面振動(dòng)的同時(shí)發(fā)出聲音。振動(dòng)的鑼面壓縮或遠(yuǎn)離周圍的空氣，在空氣中形成疏密相間的振動(dòng)，聲音就向四周傳播了。當(dāng)空氣的振動(dòng)傳導(dǎo)到我們耳朵中的鼓膜時(shí)，鼓膜跟著振動(dòng)，而且振動(dòng)的頻率與鑼面振動(dòng)頻率相同，我們就聽(tīng)到了鑼聲。也就是說(shuō)，振動(dòng)從鑼面?zhèn)鞯焦哪?，是通過(guò)空氣來(lái)傳遞的，我們把空氣叫作傳聲介質(zhì)。固體、液體、氣體都可以傳聲，它們?cè)趥髀暤耐瑫r(shí)也必定在振動(dòng)。

我們用紙杯和線可以自制“土電話”。這個(gè)“土電話”靠線傳聲，線是傳聲介質(zhì)，在傳聲時(shí)線也在振動(dòng)。當(dāng)線松弛或者線在中途被捏住時(shí)，就無(wú)法把振動(dòng)傳給聽(tīng)筒，便聽(tīng)不到聲音了（圖7）。

花樣游泳運(yùn)動(dòng)員在水下聽(tīng)到的音樂(lè)，是安置在泳池里的揚(yáng)聲器發(fā)出的，聲音通過(guò)水傳到運(yùn)動(dòng)員的耳朵。這時(shí)，水是傳聲介質(zhì)，在傳播聲音時(shí)，水也在振動(dòng)。

而真空中沒(méi)有物質(zhì)隨著聲源振動(dòng)，所以真空不能傳聲。

振動(dòng)從鑼面?zhèn)鞯蕉浞浅？?。?0℃的室溫條件下，聲音在空氣中每秒大約傳播343米，這比大多數(shù)噴氣式飛機(jī)都要快。

“捕捉”空氣傳聲時(shí)的振動(dòng)

那么，我們能“捕捉”到空氣傳聲時(shí)的振動(dòng)嗎？答案是可以的，同樣可以用轉(zhuǎn)化法。

撥動(dòng)橡皮筋，橡皮筋振動(dòng)，將聲波傳到我們的耳朵，我們聽(tīng)到了聲音。空氣傳聲時(shí)也在振動(dòng)，我們可以“捕捉”到這種振動(dòng)。用線把泡沫小球串起來(lái)，懸掛在空中，空氣傳聲時(shí)發(fā)生的振動(dòng)或者疏密的變化，會(huì)導(dǎo)致這些泡沫小球動(dòng)起來(lái)。拿著橡皮筋在泡沫小球附近彈撥一下，就會(huì)看到泡沫小球動(dòng)起來(lái)（圖8）。

我們也可以找兩個(gè)紙筒，能找到金屬筒更好。紙筒一端蒙上氣球皮，另一端開(kāi)口。將兩個(gè)紙筒的開(kāi)口端相對(duì)，保持3厘米左右距離。用手指彈擊一個(gè)紙筒的橡皮膜，另一個(gè)紙筒上的橡皮膜會(huì)把筒口的泡沫球彈開(kāi)（圖9）。這樣我們就知道，空氣將振動(dòng)從一個(gè)紙筒傳到另一個(gè)紙筒里，并帶動(dòng)了橡皮膜的振動(dòng)。這同時(shí)也說(shuō)明了聲音具有能量。

我們也可以用燭焰的晃動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)化。將紙筒開(kāi)口端對(duì)準(zhǔn)蠟燭的火焰，彈擊橡皮膜，幾乎是聽(tīng)到聲音的同時(shí)，會(huì)看到火焰晃動(dòng)。這時(shí)如果用紙蒙住開(kāi)口端，在紙中間開(kāi)個(gè)小洞，會(huì)讓聲能集中一些，在彈擊橡皮膜時(shí)，燭焰晃動(dòng)會(huì)更明顯，甚至?xí)纾▓D10）。這就是聲波滅火。消防員使用聲波滅火時(shí)，聲音的頻率一般控制在20～50赫茲，而且強(qiáng)度比較大。

有趣的共振知識(shí)

生活中在振動(dòng)的物體很多，它們所激發(fā)的聲波在空氣中傳播。每時(shí)每刻都有大量的聲波在空氣中傳播，我們就生活在聲波的海洋里。但是，這些聲波并不都能引起我們的聽(tīng)覺(jué)，因?yàn)橛械氖谴温暡?，有的是超聲波。即使是頻率處于20～20000赫茲的聲波，如果振幅非常小，也很難被我們聽(tīng)到。那么，有沒(méi)有辦法“捕捉”到這些聲波呢？

先了解一下共振的知識(shí)。大家再來(lái)研究一下音叉的振動(dòng)發(fā)聲。當(dāng)我們把音叉插在鳴箱上敲擊時(shí)，感覺(jué)聲音很大;但是，將音叉從鳴箱上取下來(lái)，用同樣大小的力再去敲擊，聽(tīng)上去聲音就小得多了。為什么呢？自然界所有物體都在振動(dòng)，它們都有自己的一組固有頻率，這是由它們的材料和結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)外界傳來(lái)的聲音頻率與物體固有頻率一致時(shí)，會(huì)導(dǎo)致物體的振幅增大，反映在聽(tīng)覺(jué)上則是聲音變大了或者說(shuō)響度變大了。把音叉插在鳴箱上時(shí)，箱體發(fā)生了共振，所以聽(tīng)上去聲音大得多。在樂(lè)器中，這種共振又叫作共鳴。所有的樂(lè)器都帶有共鳴腔，你也可以把它們理解為音箱，用來(lái)將聲音的響度變大。笛子的笛腔、二胡的音筒、吉他的中空體等，都是共鳴腔。陶笛的共鳴腔小，而鋼琴的共鳴腔特別大。事實(shí)上，中空體都可以用作共鳴腔，材料越堅(jiān)硬，內(nèi)壁越光滑，聲音在腔體內(nèi)的反射越充分，共鳴的效果就越好。我們?nèi)祟愐彩亲詭Ч缠Q腔的，當(dāng)聲帶振動(dòng)時(shí)，口腔、鼻腔、咽腔、胸腔、腹腔、顱腔等，都能發(fā)生共鳴。聲帶振動(dòng)本身產(chǎn)生的聲音音量很小，但是經(jīng)過(guò)口腔、鼻腔等共鳴后，音量就大得多了。我們說(shuō)話時(shí)，每個(gè)人的腔體共鳴比例都不一樣，所以發(fā)聲的音色也各不相同。

現(xiàn)在我們來(lái)觀察一下共振現(xiàn)象。找兩個(gè)頻率相同的音叉，分別插在兩個(gè)鳴箱上，讓鳴箱的開(kāi)口端相對(duì)。敲擊其中一個(gè)音叉，另一個(gè)音叉也會(huì)因?yàn)楣舱穸l(fā)出聲音。當(dāng)小球靠近另一個(gè)音叉，會(huì)被彈開(kāi)（圖11）。我們也可以說(shuō)，音叉被敲擊后產(chǎn)生的聲波，在傳播過(guò)程中被另一個(gè)頻率相同的音叉給“捕獲”了。改變鳴箱之間的距離，聽(tīng)到的聲音大小也有差別，因?yàn)閮蓚€(gè)音叉發(fā)出的聲波發(fā)生了干涉，導(dǎo)致空氣中有的地方振動(dòng)得到加強(qiáng)，有的地方振動(dòng)被減弱。

兩個(gè)色空鼓，每個(gè)金屬片上都標(biāo)記了唱名，相同的唱名頻率是相同的。如果敲擊標(biāo)記“2”（唱名為re）的金屬片，“re”音傳播出去，會(huì)讓另一個(gè)色空鼓上標(biāo)記“2”的金屬片發(fā)生共振（圖12）。

其實(shí)，隨便拿個(gè)紙盒，或者杯子，或者其他容器，對(duì)著它們說(shuō)話，手都能感受到它們的振動(dòng)。因?yàn)樗鼈兌加凶约旱囊唤M固有頻率，而我們發(fā)出的聲波頻率也很豐富，總會(huì)有某些頻段和容器的某個(gè)或某幾個(gè)固有頻率相同，從而發(fā)生共振。

將空紙杯放在耳朵邊，可以聽(tīng)到里面的聲音，紙杯與空氣中傳播的聲波發(fā)生了共振。換個(gè)容器放在耳朵邊，聽(tīng)到的聲音就不一樣了，因?yàn)楣舱竦念l率變了。這樣利用不同的容器，我們就可以“捕捉”空氣中不同的振動(dòng)（聲波）了（圖13）。最簡(jiǎn)單的方法是卷個(gè)紙筒，也能“捕捉”到空氣中的聲波——放在耳朵邊，你能聽(tīng)到紙筒里的聲音。改變紙筒的長(zhǎng)度、粗細(xì)，或者把另一端堵起來(lái)，你“捕捉”的聲波就不同了。

現(xiàn)在，讓我們用紙杯來(lái)做個(gè)共振演示器。

將兩個(gè)紙杯口相對(duì)，用雙面膠粘到一起，豎立放置。在下面紙杯的杯壁上開(kāi)個(gè)洞，插個(gè)容器進(jìn)去作為“話筒”，比如紙杯、塑料瓶、紙筒等（圖14）。

在上面的紙杯底部放一些輕小物體，比如泡沫小球、吸管碎屑。是的，我們又要使用轉(zhuǎn)化法了。為了防止這些輕小物體“跑掉”，我們?cè)诩埍撞空稚弦粋€(gè)透明的塑料杯?，F(xiàn)在對(duì)著話筒叫喊，紙杯也會(huì)振動(dòng)，手可以感受到，杯底的輕小物體也會(huì)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)裝置的固有頻率和你叫喊的聲音頻率一致時(shí)，共振便發(fā)生了，這時(shí)紙杯底部的振幅達(dá)到最大，輕小物體也將“手舞足蹈”地大幅度跳動(dòng)，熱鬧非凡（圖15）！

（責(zé)任編輯： 白玉磊）