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第11章 声音带给我们的快乐(2)

(四)鼻腔和口腔对共振的作用

男人和女人说话的声音是不同的,同一个人的童年和成年的音调也各有异。这是因为嗓音的音调是由声带的长度、厚度和张力决定的。声带振动时使气压发生变化,从而激励口腔和鼻腔发出共振的谐音。男人有较长和较厚的声带,因而产生低频振动,嗓音低沉而浑厚。女人的嗓音则高亢而响亮。随着年龄的增长,声带的长短和厚度也要发生变化,致使嗓音发生变化。歌唱家何以能唱出包含各种频率的甜美的歌声呢?这是由于声音的频率既与气流冲激声带产生的振动有关,又与口腔和鼻腔的共振频率有关。歌唱家善于控制和变换自己的口腔和鼻腔的形状与大小,因此能唱出婉转悦耳的歌声。

声音的共鸣还能产生神奇的力量,当歌唱演员放声唱到某一高音频率并持续数秒钟之后,可把玻璃杯震碎。这是由于使玻璃杯产生了共振,并达到了使它破裂的程度。

(五)沙丘的共鸣

世界上的许多地区有会发声的沙子。当你漫步在海滩或在沙漠上行走时,会听到各种不同的奇特的声响。有的“轰鸣”,有的“鸣唱”,有的“低吟”,有的“厉叫”。如英国的一些海滩,沙子被踩时会发出哨声,还有些地区的海滩则发出击鼓声。这是沙子被踩时,在切应力的作用下发生受迫振动,由于种种条件的影响,振动的频率不同,便形成各种不同的声音。

在沙漠里旅行时,偶尔会听到沙丘发出震耳的轰隆声。当你爬上沙丘或是从沙丘上滑下时,可以听到清脆悦耳的声响,宛如歌声。这是因为沙丘表面的沙粒在倾泻流动时,当沙层间由于摩擦而产生振动的频率同沙丘本身的固有频率相同时便引起沙丘的共鸣,这种现象叫做“鸣沙”。美国的长岛及夏威夷沙漠,亚洲、中东及非洲的几处沙漠都有类似的现象,我国宁夏黄河边的“鸣沙洲’便是一例。据研究,发出这些声音的沙粒是大小近于相同的球状沙粒。

(六)水龙头的啸叫声

在打开或关闭自来水龙头时,有时会听到哼哼和隆隆的怪叫声,当完全打开或完全关闭龙头后怪叫声就自动消失了。这是由于水通过管子的狭窄处时流速增加,有可能发生湍流而出现成穴现象(即产生大量气泡),空气泡的振动跟水管本身和跟水管相连的周围的物体(如墙壁、地板、天花板等)发生了共鸣。因此这种喧闹声不是自始至终地发生于整个开关过程,也只有在一定流速的水经过水龙头的狭窄处时才能发生。值得注意的是,在夜深人静时开关水龙头要特别小心,一旦出现这种令人生厌的噪音会弄得四邻不安。如果在水管上加一根防气阀的竖直管子,利用它把产生的气泡及时放掉,便可使水管安静下来。

八、超声波对人类的作用

(一)超声波

有人认为凡是声音人们都能听见,其实并不尽然。我们知道,声音起源于发声体的机械振动,由于生理机能的限制,人耳能听到的声波频率是有一定限度的,多数人能够听到的声音的频率范围,大约是从20赫兹到2万赫兹(赫兹简称赫)。这个范围的声波叫做可听声。高于2万赫的声波叫做超声波。

每个人能听到声波频率的最高限度各不相同。一般而言,老年人的听觉迟钝些,能够听到的最高频率不超过6千赫,通常人们对最高频率的感受差别也很大,有许多昆虫(像蚊子和蟋蟀等)发出的声音频率大约在2万赫左右,这些音调往往使有些人听得见,而另外一些人则听不到。因此,经常有这样的情景,在天高气爽的秋季,当人们漫步在田间的小路上,此起彼伏的秋虫唧唧声,有人感到尖锐刺耳,有人感到和谐悦耳,也有人却并未入耳,听而不闻。蝙蝠的发声频率高达几万乃至十几万赫,大大地超过了正常人的听觉范围。

有趣的是,某些动物听高音的能力比人强得多。比如巴甫洛夫实验室的工作人员发现狗可以听到高达3万8千赫的声波,这纯属超声振动的范畴了,蝙蝠竟然能听到十几万赫的声波,它的听觉非常敏锐,在夜间活动时他的视觉已经不起什么作用了,就完全依赖听觉接受反射回来的超声波信号灵巧地捕捉食物。有人曾做过这样的实验,在漆黑的房间里挂满系有铃铛的绳索,然后把蝙蝠放入,它巧妙地上下翻飞,穿梭于绳索之间,竟然不会碰响任何一只铃铛。

(二)超声波的应用

当代的科学技术能够研制出频率高达100亿的超声波。产生超声波的一种方法是利用石英片的压电效应,石英片是从石英晶体上用一定的方法切下来的,在压缩的情况下,它具有表面带电的性能。反之,如使石英片的表面周期性地带电,那么这表面就会在电荷的作用下,交替地伸缩,产生超声波振动。可用电子振荡器使石英片带电,振荡器的频率应当和石英片的固有频率相同。由于石英晶体很贵,产生的超声波不强,常用在实验室里。工程技术上应用的压电片常是人工合成物质,如钛酸钠陶瓷等。

超声波由于频率很高,具有奇特的性质,在工农业生产、医药卫生以及科学研究等方面都有广泛的应用。它可以使媒质产生剧烈的振动,具有机械、热、光、电、化学和生物等方面的种种效应。

把振动着的石英片浸在油缸里,在受到超声波作用的那一部分液体的表面上,就会激起高达10厘米的波峰,同时还有小油滴飞溅到40厘米高处。可以用来清洗小到钟表零件一类的精密部件,大到一二十米长的整个导弹壳体和反应堆里的热交换器部件。

如果把一根长1米的玻璃管的一头浸在这油缸里,并且用手握住另一头,手有烫灼之感甚至会留下伤痕。若让玻璃管的一端跟木料接触,会把木料烧穿一个洞,这说明超声波的能量转变成了热能。超声波的这种性能可以用来钻孔,对宝石、玻璃、陶瓷等坚硬的脆性材料,能钻出任意形状、任何口径的孔。如果在切削工具上加进超声振动,可以使切削阻力降低1/5到1/10,并且能提高切削质量。用超声方法可以使物质软化流动,这种方法所需的能量只有普通加热法的千万分之一,因此超声在拉管、拔丝、挤压成型和铆接等工艺上大有作为。

超声波还能使动物的体温升高,比如能使老鼠的体温升高到45℃。因此,这种热效应使听不见的超声波同看不见的紫外线一样,广泛有效地应用在医疗上。

超声波的高频振动还能“粉碎”液体,使各种在通常情况下不能混合的液体(如油和水等)混合在一起。它也能“粉碎”细菌,可以用来杀菌消毒。它还能使海草等植物的纤维碎裂,动物的细胞破碎,破坏血球,使小鱼和蛙类在一两分钟里被杀死。

超声波的穿透能力很强,可以穿透几米厚的钢铁,在冶金、机械行业被广泛用来探测金属内部结构是否均匀,有没有气泡,有无裂缝等缺陷,这种透视金属的方法有很好的效益,能发现小到1毫米的金属缺陷,还可以制成医学上诊断疾病的工具。

超声波的波长很短,近似直线传播,能够定向发射,因此可以制成“超声雷达”,用来探测鱼群、海底深度、暗礁、潜艇等。这是无线电雷达所望尘莫及的,因为电磁波在水里衰减很快,传播不远,它很难侦察海底的情况。

在农业上,用超声波处理种子,可以缩短发芽时间并提高出芽率。

九、噪声对我们的危害

噪声是由不同频率、不同强度的声音无规则地混合在一起组成的,噪声的大小通常用分贝来表示。

实验测定,刚能引起听觉的声音大约是0分贝,微风吹拂树叶的沙沙声大约是10分贝,离耳朵1米左右的低语声大约是20分贝,深夜街道上的噪声大约是30分贝,室内轻声的收音机播放的声音大约是40分贝,汽车行驶发出的声音大约是60分贝,闹市的噪声约为70分贝,火车的轰鸣超过95分贝,放炮声和响雷声大约为120分贝。

一般说来,噪声在40分贝以下的环境算是安静的;60分贝以下,还算比较安静;80分贝以上就算喧闹了,会影响人的身体健康。假如一个人长期生活在噪声强度为85~90分贝的环境里,就会得“噪声病”,出现头昏脑涨、失眠多梦、浑身无力、食欲不振、记忆衰退的现象,或者诱发高血压、心脏病、神经官能症等。噪声太强,比如强到120分贝以上,可能使人的耳朵“暂聋”;强到140分贝,甚至可以使人永久失去听觉,变成聋子。

历史上一些暴君,曾使用噪声来折磨囚禁的人。在第二次世界大战中,德国法西斯就用过强噪声来摧残俘虏。古罗马的暴君,曾用强噪声来处死犯人。

现在噪声已成为城市闹市区的公害之首,严重地危害着城市居民的身心健康,因此限制噪声已成为保护环境的重要任务。政府为此作了明确规定:繁华市区室外的噪声,白天不得超过55分贝,夜间不能超过45分贝。

十、耳听八方

当你静心思考问题时,客厅里的喧闹声往往把你搅得心神不宁,这时只得关闭通往客厅的门才又重新恢复安宁。但是如果稍有不慎,门未关严,留了一条缝隙,情况会怎样呢?发现喧闹如初,并未减弱多少,这是什么原因?声音能绕过门缝,传遍整个房间,这是声波传播的一种重要特征之一,叫做声音的衍射。俗语所说的“耳听八方”就是声音发生衍射和反射的结果,这在很多情况下给人带来了不少方便。假若声音只是单方向传播,只有站在你对面的人才能听见你讲话,其他方向的人均听不到,那就麻烦多了。

在一般情况下,不管你的朋友脸朝着你或是把头转过去,由于声音的衍射和附近物体对声音的反射,你总能辨别出他的声音。但是如果用低语声讲话,只有当他脸朝着你时才有可能辨认出他的低语声,即便是低语声和正常声的响声相同时也是如此。这是因为波长愈长(频率愈低),衍射图样的角度愈大,由于低语声大部分是由高频音组成的,衍射角小,因此低语声衍射较小,因而从背后听就困难了。

(一)呼啸的风声

树枝和电线在大风中会发出强烈的呼啸声,即所谓狂风怒吼。这是由于当风吹过树枝和电线时,空气可能会变得不稳定,并从障碍物那里散发出一些涡旋,致使电线(或树枝)的顶部和底部交替地释放出一些涡旋。这些涡旋产生的压力变化会引起电线(树枝)强烈地振动,从而产生怒吼的风声。

(二)超音速飞机所产生的声震

飞机飞行的速度如果突然超过它的飞行高度处的音速,有时候会发出震耳的炮声,这种现象叫做“声震”。由于飞机作高速飞行,飞机前面的空气被压缩形成一层很密实的空气,宛如“空气墙”似的,有的叫做“音障”。在飞机后面有一个圆锥体,这圆锥体的外边界就是冲击波了。当这个圆锥体扫到地面上的时候,观察者首先感受到的是气压上升和下降,然后又感受到空气的气压再一次上升,直至重新恢复到正常的气压。在这过程中由于空气剧烈地振动,从而产生声震。

有时候,气压的两次升高可能辨别不出来,而有时它们是两次可辨别的声震。但是每逢飞机突然作超音速飞行时也并非都能听到声震。如果冲击波在下降的过程中,被它所遇到的较暖和的空气折射得厉害的话,这类似因空气温度的变化所引起的声波的折射,那么冲击波就不会到达地面了。

(三)莺莺塔声学效应之谜

山西永济县普教寺内的莺莺塔有9种奇妙的声学效应,在塔内和周围不同位置可以听到塔内传出的蛙声、锣鼓声、狐狸叫声等声音。这些声学奥妙已由我国科学家揭开。莺莺塔有蛙声,起初人们认为是山谷的回声。但经山西大学物理系所组织的多次考查证明,发现莺莺塔还有其他声学效应。这些声学效应主要有:人们在离塔10米或20米处击石、拍手,可以听到由砖塔传来的蛙鸣声。当2.5千米外的蒲州镇戏台演戏时,人们在塔底台阶上能听到塔里有锣鼓声;人们在塔旁小声说话,距塔40米处能清晰地听见;人在塔的第九层上讲话,下面听声音像是从第一层传来,在第五层说话则好像第一层和第九层都有人说话。

通过录音测试,并做了频谱分析,发现莺莺塔产生声学效应的主要原因有三个:一是特殊的地形地貌,莺莺塔所处的地势较高,而周围平缓开阔又无障碍物,可以接收大范围内传来的声波;二是特殊的建筑构造,每一层塔檐挑出成内凹弧形,能把声音反射汇聚,“蛙声”就是13个塔檐反射的结果。在一层塔下面有个收缩的口子,能把塔内发出的声音来回反射,形成共振源;三是特殊的建筑材料,塔身和塔檐全部用青砖叠砌而成。青砖表面光滑,对声波有良好的反射和谐振作用。

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