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        奇妙的聲音

        2021-12-28 12:21:56江蘇省蘇州市吳江區(qū)八坼小學(xué)曹燕南
        科學(xué)大眾 2021年23期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)

        文/江蘇省蘇州市吳江區(qū)八坼小學(xué) 曹燕南

        要問聲音是怎樣產(chǎn)生的,見多識廣的同學(xué)們一定能說出來:“聲音是振動(dòng)產(chǎn)生的?!北热?,我們輕輕彈撥皮筋、擊鼓時(shí),就能聽到因物體振動(dòng)而產(chǎn)生的聲音。而我們能發(fā)出聲音,也是因?yàn)楹韲道镉幸粋€(gè)發(fā)聲器官——聲帶。聲帶就像一根橡皮帶,當(dāng)我們發(fā)聲時(shí),聲帶變緊,并快速振動(dòng),產(chǎn)生聲音。聲帶越緊,發(fā)出的聲音越高。同學(xué)們可以將手輕輕地放在喉結(jié)處并發(fā)聲,就能感覺到聲帶的振動(dòng)了。

        聲音的傳播

        在物理學(xué)上,聲音被定義為以聲波的形式通過諸如氣體、液體或固體之類的傳輸介質(zhì)傳播形成的振動(dòng)。聲音的產(chǎn)生需要聲源,例如揚(yáng)聲器的振動(dòng)膜片。聲源在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)會(huì)以聲速從聲源處傳播開,從而形成聲波。聲波作為機(jī)械波,可以通過諸如空氣、水和固體之類的介質(zhì),以縱波形式傳播,在固體中也可以以橫波的形式傳播。聲波的傳播,實(shí)質(zhì)上是能量在介質(zhì)中的傳遞。

        聽不到的聲音

        聲波可以被分解成不同頻率的正弦波,所以可以用振幅、頻率、速度等物理參數(shù)一一來描述。科學(xué)家將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù),稱為聲音的頻率。聲音的頻率通常以赫茲(Hz)表示。要知道,人們普通談話的聲波頻率在200~800Hz之間,我們的耳朵能聽到的聲波頻率為20~20 000Hz。頻率低于20Hz的聲波,稱為次聲波或超低聲;頻率為20~20 000Hz的聲波,稱為可聞聲;頻率為20 000 Hz~1MHz的聲波,稱為超聲波;頻率大于1MHz的聲波,稱為特超聲或微波超聲。

        由于次聲波的頻率很低,大氣對其吸收甚小,因此它比一般的聲波、光波和無線電波都要傳得遠(yuǎn),能傳到幾千米至十幾萬千米以外。次聲波能繞開某些大型障礙物發(fā)生衍射,有些次聲波甚至能繞地球2~3周。1883年8月,南蘇門答臘島和爪哇島之間的克拉卡托火山爆發(fā),產(chǎn)生的次聲波繞地球3圈,全長10多萬千米,歷時(shí)108小時(shí)。除了傳播距離遠(yuǎn),次聲波還具有極強(qiáng)的穿透力,不僅可以穿透大氣、海水、土壤,而且還能穿透堅(jiān)固的鋼筋水泥構(gòu)成的建筑物,甚至連坦克、軍艦、潛艇和飛機(jī)都不在話下。

        雖然我們聽不到次聲波,但可千萬別小看了次聲波。要知道,地震或核爆炸所產(chǎn)生的次聲波可將房屋摧毀。而某些頻率的次聲波由于和人體器官的振動(dòng)頻率相近甚至相同,能放出相當(dāng)大的能量,對人體有很強(qiáng)的傷害性,危險(xiǎn)時(shí)可致人死亡。如4~8Hz的次聲波能在人的胸腔和腹腔里產(chǎn)生共振,可使心臟出現(xiàn)強(qiáng)烈共振、肺壁受損。

        除了次聲波,我們聽不到的聲音還有超聲波。超聲波的方向性好,穿透能力強(qiáng),易于獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠(yuǎn),可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等,在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。

        防暴警察使用定向次聲波武器驅(qū)散示威人群

        超聲波清洗技術(shù)

        理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很大。例如,在中國北方干燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,劇烈的振動(dòng)會(huì)使水罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi),就可以增加室內(nèi)空氣濕度,這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病,很難利用血流使藥物到達(dá)患病的部位,利用加濕器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量,還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎,從而減緩病痛,達(dá)到治愈的目的。除此以外,超聲波還能對物品進(jìn)行殺菌、消毒。

        醫(yī)療霧化

        塔科馬大橋

        聲音的威力

        你有沒有想過,將紙卷成筒狀放到耳朵上可以聽到聲音是怎么回事?簡單來說,紙筒放在耳朵上聽到聲音,是紙筒內(nèi)的空氣柱從環(huán)境噪聲中“選出”了與空氣柱共振的聲波并放大的結(jié)果。實(shí)際上,紙筒內(nèi)的空氣柱會(huì)與頻率等于空氣柱固有頻率的聲波發(fā)生共振,將這一頻率的聲波放大。而空氣中噪聲的頻率組成是雜亂無章的,其中總會(huì)存在這一頻率的聲波。如果我們在完全安靜的地方做這個(gè)實(shí)驗(yàn),由于沒有了噪聲這一驅(qū)動(dòng),我們將什么也聽不到??諝庵墓舱耦l率也會(huì)隨著空氣柱的形狀改變而改變,比如短紙筒“發(fā)出”的聲音頻率會(huì)高一些,而長紙筒“發(fā)出”的聲音頻率會(huì)低一些。在物理學(xué)中,這種空氣發(fā)生共振的現(xiàn)象被稱為亥姆霍茲共振。打開高速行駛汽車的窗戶會(huì)聽到“呼呼”的風(fēng)聲,也是亥姆霍茲共振的一種體現(xiàn)。

        聲音甚至能震碎玻璃杯,你相信嗎?其實(shí),這也與共振有關(guān)。當(dāng)我們給物體施加一個(gè)周期性的外界激勵(lì)時(shí),如果外界驅(qū)動(dòng)的頻率和物體的無阻尼固有頻率相同,物體振動(dòng)的增幅最大。這時(shí),我們稱物體發(fā)生共振時(shí)的外界激勵(lì)的頻率為共振頻率。最著名的例子非塔科馬大橋的坍塌事故莫屬。塔科馬大橋位于美國的華盛頓州,在第一座塔科馬大橋建成通車4個(gè)月后,一股速度為19米/秒、相當(dāng)于8級的風(fēng)把它吹塌了。而這個(gè)事故之所以會(huì)發(fā)生,就是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)吹動(dòng)橋梁時(shí),在橋梁后面形成“卡門渦街”,“卡門渦街”以一定的頻率拍動(dòng)橋梁,當(dāng)拍動(dòng)的頻率與橋梁本身固有頻率相同時(shí),發(fā)生了共振現(xiàn)象,使橋坍塌。共振現(xiàn)象能讓一座大橋都坍塌,震碎一個(gè)小小玻璃杯顯然不在話下。

        生活中還存在著許許多多關(guān)于聲音的小知識,等待著同學(xué)們?nèi)ヌ剿?、去發(fā)現(xiàn)!

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