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第1章 声与波动(1)

海浪为何迎岸袭来

站在海岸上极目望去,波涛汹涌的海浪总是垂直于海岸线迎面袭来,从来没有见过沿海岸线前进的海浪,这是为什么?

海面上的波浪在深海处传播的速度总是比浅海处的传播速度快,越是近海岸,海水越浅,波浪的速度越慢。若用虚线AB表示海岸附近深水域与浅水域的分界线,那么在深水域中,海浪在第1、2、3……、11秒走过的距离较大(因为速度快),因此,线条之间的间隔大;在浅水域中,同样花费1秒钟时间,海浪经过的距离短,表现为线条之间的间隔小。因此,在分界线处发生了海浪的波长和传播方向的改变,海浪的传播方向变得渐渐垂直于海岸线了。由于越靠近海岸的海水越浅,因此,海浪的速度也渐渐慢下来,这就使它的传播方向越来越垂直于海岸线。当我们站在海岸面向大海时,由于看到的海浪都是以垂直于海岸线的方向一排排袭来,我们就感到海浪是迎面而来的。

在远离海岸的大海深处,海浪的行进方向取决于海风与海流的方向,并不一定朝观察者迎面而来。

共振的幽灵

任何物体产生振动后,由于其本身的构成、大小、形状等物理特性,原先以多种频率开始的振动,渐渐会固定在某一频率上振动,这个频率叫做该物体的“固有频率”,因为它与该物体的物理特性有关。当人们从外界再给这个物体加上一个振动(称为策动)时,如果策动力的频率与该物体的固有频率正好相同,物体振动的振幅达到最大,这种现象叫做“共振”。物体产生共振时,由于它能从外界的策动源处取得最多的能量,往往会产生一些意想不到的后果。

18世纪中叶,法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过。当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时,桥梁突然断裂,造成226名官兵和行人丧生。究其原因是共振造成的。因为大队士兵迈正步走的频率正好与大桥的固有频率一致,使桥的振动加强,当它的振幅达到最大以至超过桥梁的抗压力时,桥就断了。

类似的事件还发生在俄国和美国等地。鉴于成队士兵正步走过桥时容易造成桥的共振,所以后来各国都规定大队人马过桥,要便步通过。

在我国的史籍中也有不少共振的记载。唐朝开元年间,洛阳有一个姓刘的和尚。他的房间内挂着一副磬,常敲磬解烦。有一天,刘和尚没有敲磬,磬却自动响起来了。这使他大为惊奇,终于惊扰成疾。他的一位好朋友曹绍夔是宫廷的乐令,不但能弹一手好琵琶,而且精通音律(即通晓声学理论),闻讯前来探望刘和尚。经过一番观察,他发现每当寺院里的钟响起来时,和尚房里的磬也跟着响了。于是曹绍夔拿出刀来把磬磨去几处,从此以后磬就不再自鸣了。他告诉刘和尚,这磬的音律(即现在所谓的固有频率)和寺院的钟的音律一致,敲钟时由于共振,磬也就响了。将磬磨去了几处就是改变它的音律,这样就不会引起共鸣。和尚恍然大悟,病也随之痊愈了。

登山运动员登山时严禁大声喊叫。因为喊叫声中某一频率若正好与山上积雪的固有频率相吻合,就会因共振引起雪崩,其后果十分严重。

核试验是否泄密

1964年10月16日,我国政府宣布中国成功地爆炸了第一颗原子弹。在我国政府的新闻公报发布之前,世界各主要通讯社就抢先发布了这次爆炸的头条新闻。他们的消息来自何方?当然,这不是由于我们失密造成的,而是设在世界各地的次声监听站收到了核爆炸所发出的强烈次声波,从而得知中国进行了核爆炸。

次声为何能将核爆炸信息传到千里之外?我们知道,人耳能听到的声波的最低频率约为20赫,低于20赫的声波人耳听不到,被称为“次声”。由于次声波在传播时的能量损失很少,因此它可以传得很远。大型核爆炸产生的次声波有时可以绕地球转上几圈。通过次声监听站的检测,人们不仅可以测出核爆炸的地点和时间,还可以测出核爆炸的当量和所采用的方式是地上还是地下核爆炸。由于火箭升空时高速喷出白炽的火焰与大量气体,引起空气和地面的振动,因而产生各种声波,当然也包含次声波,所以导弹的发射也逃不过次声监听站的“耳朵”。

地震、火山爆发、海啸、台风等大自然现象,则是天然的次声源。研究天然次声波的发声机制、传播特性,可以提供地震之类自然灾害的预报手段,还可以通过对自然界次声所携带信息的研究,了解地层变化等自然现象。例如,智利大地震产生的次声波,曾激发了地球的固有振动,其周期为1小时。知道了地球的固有振动频率,就为研究地球的结构提供了有用的资料。

第二次世界大战中,德国潜艇部队司令邓尼茨实行“海狼”计划,派出大批潜艇实施水下攻击,使美、英等同盟国运输船只损失大半。潜艇崭露头角,使人们对怎样探测到这种水下战舰产生了兴趣。几经周折之后,人们才发现对付潜艇的最好方法,是使用由法国物理学家朗之万发明的“声呐”(sonar,英文“声波导航和测距”

的字头缩写)。为什么只能依靠声波来探测在水下游弋的潜艇呢?

在水下能用望远镜看见远处的潜艇吗?不能,即使用现代的光学仪器,假定海水也较洁净,在水下最多只能看到几十米远的地方。那么,在水下能用雷达来探测具有金属外壳的潜艇吗?更不行。因为电磁波在海水中的衰减太大。即使是波长为104米的极低频电磁波,在海水中每传播3米,其振幅就衰减成原来的十分之一;如果采用高频(波长为几十厘米)电磁波,在海水每传播1米,其强度就衰减为原来的一千万分之一!然而,海水对声波的吸收远比光波和电磁波小。如果用10千赫的超声波在海水中传播,每经过1千米,它的强度只衰减为原来的十分之八。若用005千赫的次声波,每传播1千米它的强度只衰减为原来的百分之九十八。因此,声波(特别是低频声波)因其在水下传播时衰减很小,可以用作水下传递信号的载体。

声呐按工作原理,可以分为两大类:(1)主动声呐。这种声呐能主动向水中发射各种形式的声信号,碰到目标后就产生反射回波,接收回波信号再进行分析处理,就能得出目标所在方位和距离。(2)被动声呐。它本身不发射声波,只是被动接收目标所发射的声波(潜艇航行时,其发动机总有噪声发出),再进行分析处理,也可以显示出目标的方位距离。被动声呐具有保密性好,定向距离远等优点,但它在测距时较困难。

现在还发展了机载声呐,它比军舰的搜索速度快。从直升飞机上向巡逻海区投下一系列主动声呐浮标,它们在水面上向水下各处发射声波,找到目标后会自动用无线电波发送。

深海报警

船舶或飞机在大洋中失事时,如无法用无线电发出求救信号,则可以向深海投掷炸药包作为呼救信号。2千克炸药在1千米深的海洋中爆炸时,发出的声波可传播到几千米之外。由几个海岸监听站从不同位置收到的报警声,就能较准确地测定失事地点并组织营救。用同样的办法也可以测定洲际导弹或宇宙飞船返回时的溅落位置。

声波在深海中传播得远,是因为存在一个深海声道。它与海面、海底都保持一定的距离,声波在这个通道里传播时,很少遭受海面和海底反射时造成的能量损失。这就像人们利用空管子对着讲话,它能把声音传得很远。

深海声道具有这一特性,是由于不同深度的海水的温度不同,因而声波传播的速度也不同。在深海声道的上方,温度随深度下降,使产速也随深度下降,即越向上声速越快,声波受海水折射后向下弯曲传播;它的下方为深海同温层,声速随深度的增加而增加,即越向下声速也越快,声波受折射后上弯曲传播。结果,不同温度的海水层像透镜聚焦一样,把声波的能量聚集在声道内。不仅如此,在深海声道的某些地方,声能特别集中就好像透镜的焦点一样,这些区域叫“会聚区”。在大洋中,每隔30~50海里就有一个会聚区。

正是这种深海声道里的会聚作用和接连不断的会聚区的存在,才使声波能在深海中作超远距离的传播。

听不懂自己

我们有这样的经验:听录音机放出的自己的声音总觉得不太像,而在别人听来都认为像,这是怎么回事呢?

我们平时听到的声音,可以通过两条不同的途径传入耳内,一条途径是通过空气,将声波的振动经过外耳、中耳一直传到内耳,最后被听觉神经感知。别人听你的话,你自己(还有别人)听从录音机里放出的自己的录音,都是通过这样的空气途径传入耳内的。

对别人说来,直接听你讲话,或是听你的录音,由于都是从空气里传来的声音,所以效果一样,即这两种声音是很像的。

另一条途径是通过骨头来传播声音,这种方式叫“骨导”。我们平时听自己讲话,主要是靠骨导的这种方式。从声带发出的振动经过牙齿、牙床。上下颌骨等骨头,传入我们的内耳。因此,对我们自己来说,听自己讲话是通过骨导方式听到的。由于空气和骨头是两种不同的传声媒质,它们在传播同一声源发出的声音时,会产生不同的效果,因此,我们听上去就感到这两种通过不同途径传来声音的音色有差别。于是就觉得录音机里放出来的声音不像是自己的声音。

乐器的“四大家族”

古今中外的乐器少说也有几百种,不过按它们发声原理的不同,大体可归为四大类。

1弦乐器它们通过拉、弹、拨、击的方法使弦振动而发声,再借助共鸣箱使弦的声音在共鸣箱中共鸣而被放大。常见的弦乐器有小提琴、大提琴、吉他、二胡、琵琶等。钢琴虽然靠键盘的敲击来发音,但最终也是以弦的振动和共鸣箱来发音的,所以也可归到弦乐器中。

2管乐器它们是一些一端封闭另一端开口的管子,人用嘴吹动簧片或哨子之类的振动器件,激发管内的空气柱振动而发声。

西洋乐器的单簧管、双簧管、长号、圆号、长笛、短笛等,以及民族乐器中的笛、笙、萧、唢呐等都属于这一类。

3打击乐器它们是指用器物(棒、槌等)打击膜、板、棒等东西,使之振动而发音的乐器的总称。这类乐器的激振器件与共鸣器件常常是同一件东西(如钹、音叉等),振动形式都是靠外力打击乐器使之振动而发音。这类乐器包括西洋乐器中的定音鼓、木琴、三角音叉等,还包括民族乐器中的锣、鼓、钱、梆子等。

4电子乐器现代电子乐器可以分成两类,一类如电吉他、电提琴等,是在原来乐器(吉他、提琴等)的基础上,增添电子扩音系统和音色变化装置,大大改善原有乐器的表现能力。另一类如电子琴等,完全由电子振荡器来完成音阶的组成。在传统乐器中,钢琴弹不出小提琴的音色,笛子也吹不出二胡的声响。而电子琴依靠音色合成网络,能演奏出几十种不同的音色的乐器声来。此外,它还装有各种自动装置,可以自动产生节奏、和弦等音响效果,大大简化了演奏,甚至一台电子琴能奏出一个乐队的效果来。电子琴的出现,是对传统乐器的革命性变革。近年来出现的电子合成器,除了能模拟各种传统乐器的演奏外,还能模拟人的歌唱声、大自然的鸟鸣、风声等,甚至能制造出人类从没听到过的“太空音乐”

来。电子合成器的出现,把电子乐器的发展推向一个新的高峰。

现代阿里巴巴

阿拉伯民间故事《阿里巴巴和四十大盗》中,强盗把抢来的珍宝藏在一个秘密山洞里,这个洞口很严密,普通人根本打不开,但是,只要有人对着洞口喊一声暗语“芝麻,芝麻,开门吧”,石头门就会自动打开。阿里巴巴就是因为听到了强盗们说的这句暗语,最后得到了大批珍宝。这故事展示了人们想通过语言来控制某种装置(如石头门)的最早设想。这个设想在现在已经实现。

1984年,在英国伦敦举办的一次展览会的开幕式上,剪彩后主持人对展览厅大门说了声“请开门”,大门竟自动打开了。更令参观者惊奇的是,大厅里展出的电视机、电冰箱、电灯、电炉等家用电器的开启和关闭,都是用人的声音来控制的。原来这是一次别开生面的语言声控设备展览会。

语言声控技术是近年来才发展起来的一门高新技术。它能将人发出的有声语言转变成控制信号,去指挥机器工作。目前的主要应用是:(1)语言翻译机。它能将一种语言(口语或文字)自动翻译成另一种语言(口语或文字),这将大大方便世界各国人民之间的相互交流。(2)计算机人工口语输入。它将取消计算机输入键盘,人们靠说话就能指挥计算机运算。(3)盲人用的读报器。它能将印刷品上的文字通过光电扫描和语言合成器,变成盲人能听见的声音。

鸟的语音

鸟语是鸟类世界的“语言”,可分为三类:(1)叙鸣。它是鸟类的日常用语,可以表达集合、求食、警告、恐慌等含义。离群孤雁的鸣叫,就是对同伴呼唤的一种叙鸣。(2)效鸣。这是人类通过对鸟的训练,使它们模仿人或其他动物的叫声而发出的鸣叫。据统计,我国大约有三十多种会效鸣的鸟,如鹦鹉、八哥、画眉、百灵、伯劳等。当然,鹦鹉、八哥等鸟类虽然能学人说话,但这只是从发音上模仿,它们并不知道声音里的含义。所以人们用“鹦鹉学舌”来形容不求甚解的人,别人怎么说他怎么说。(3)鸣啭。这是雄鸟在发情季节发出的婉转动听的求爱声。这种鸟语是鸟求爱时的独特方式。在发情季节,雄鸟不仅以换好的羽毛表示自己身着“婚装”,而且用美妙动听的鸣啭“情歌”来吸引异性。

一些专门研究动物语言的鸟类学家,曾编过一本《鸟语辞典》,还灌制了一张有多种鸟语的唱片。这给人们以很大的启发。农民们在成熟的稻田里播放麻雀惊叫声的录音,使正在啄食的麻雀听到同伴的惊叫后纷纷逃散。过去,飞鸟在机场上空飞行时,容易被飞机发动机吸进去,这往往会撞坏涡轮叶片,造成机毁人亡的惨剧。后来人们在机场四周播放鸟儿惊叫声的录音,吓跑了飞鸟,保护了飞行安全。

鱼有听觉吗

鱼有听觉吗?人们谁也没有见到过鱼的耳朵,所以,鱼的听觉无从谈起。但是,有一件事改变了人们对此的看法。

德国一个大鱼场里饲养了许多鳟鱼,鱼场附近的一座教堂每天早上8时都要打钟,鱼场的饲养员则在打钟之后去喂鱼,天天如此。有一天饲养员在教堂钟声响过半小时后再去喂鱼,却见一大群鱼仍聚集在池塘边,不断把头伸出水面在等食。这件事把饲养员惊呆了,也引起了科学家们的兴趣。

经过一段时间仔细观察,发现鱼是有听觉的。它们在听到钟声后不久就能进食,久而久之就形成了条件反射。因此,那天饲养员虽然还没有赶来喂食,鱼却因已听到钟声仍然向岸边聚来。

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