书城自然科学谁会是下一个牛顿:最让人受启发的物理现象
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第8章 声音是从哪里来的(3)

在船的一侧的底舱里靠近船底的地方有一个弹药包,在燃烧的时候发生激烈的声音。这声波穿过水层到了海底,反射以后的回声折回到水面上来,由装在舱底的灵敏的仪器接受下来。一只准确的时计量出了发出声音和回声到达相隔的时间。我们已经知道了声音在水里的速度,就很容易算出反射面的距离,换句话说,就是测出了海洋的深度。

这种测量海洋深度的装置叫做回声测深器,在测量海洋深度的工作上起着极大的作用。应用从前的测深器,只能在船只不动的时候测量,而且要花许多时间。那系测锤的绳要从它缠绕着的轮盘垂下去,而且垂下得相当慢(每分钟约150米);把它从海底提出也是这么慢。因此,要测量3千米的深度,用这个方法就得花3刻钟。如果采用回声测深器,那同样的测深工作只要几秒钟就完事了,面且测量的时候轮船仍旧可以照旧行驶,所得到的结果也比用测锤的方法可靠得多,精确得多。最新的测深工作所得到的误差不超过四分之一米。

如果说深海的深度的精确测量对于海洋学有重大意义,那么,在浅水的地方进行又快又精确可靠的测深工作,是对于航海有真正的帮助的,这可以保证航行安全:由于回声测深器的帮助,使得船只能够大胆而且很快地向岸靠近。

在现代的回声测深器里,已经不是用一般的声音,而是用非常强的"超声波",是人的耳朵听不到的声音,它的频率大约每秒几百万次。这样的声音是从放在很快交变的电场里的石英片(压电石英)振动产生的。

会领航的海豚

在新西兰海岸,一艘海船在大雾弥漫、暗礁丛生的浅海地区迷了路,多亏了一条海豚带领,这只船才能顺利地到达了安全地带。

海豚海豚是如何为海船领航的呢?

科学家还发现,一群灰海豚在吃东西时,可使8千米以外的伙伴沿直线游来分享,这又是什么神奇的作用呢?8千米以外的海豚怎么会知道吃东西的地点呢?

研究发现,这跟海豚的器官有关。海豚身上有一套精确的定位回声装置,能用超声波定位。海豚的超声波定位器位于头部。它所发出的超声波遇到物体产生回波,由它的耳朵和头部某一部位接收。经过训练的海豚,利用它的特有功能,还可以帮人类探测和寻找沉船、潜艇等。当海豚发出的声音遇到附近的物体反射时,海豚则通过回声的大小、频率来判断物体的大小、形状和位置。智慧的科学家就是从海豚身上得到启发,创新利用声呐作为探测器。

潜艇的发明,给科学家出了一道难题。它藏在海水深处神出鬼没,如何才能发现它呢?再好的望远镜也无法发现水下目标,雷达对它也无能为力,因为雷达发射的电磁波很快就会被海水吸收,无法用它来探测水下的潜艇。在这种情况下,科学家根据海豚脑中的超声波定位器发明了"声呐"。

声呐这个词是英语缩写的音译,其原意是"声导航和定位"。声呐是海洋中的"千里眼"和"顺风耳"。有了它,不仅可探测远处的轮船、潜艇,而且还可以探测海洋中的鱼群、沉船、冰山及水下资源。

声呐的用途十分广泛。在军舰、潜艇、反潜飞机上安装声呐之后,可以准确确定敌方舰艇、鱼雷和水雷的方位。同时,它还能区别前方的目标是鲸鱼还是潜艇,是敌方潜艇还是我方潜艇。在民用方面,它可以使轮船在黑夜和雾天航行时及时发现前方的船只或暗礁;可以告诉渔民哪儿有鱼群;还可以用来研究海洋地质,搜寻海下沉船,进行水下通讯联系等等。

理想的剧场是什么样子

经常看戏、听音乐的人都知道,有的剧场、音乐厅的音响效果很好,即使在边、角后排,歌声、器乐都清晰悦耳;而在一些礼堂、大厅的演出,坐在前排也听不清楚。这不是声音的强弱问题,而是噪音的干扰问题。理想的剧场是,剧场中处处听得清,听得真。

噪音干扰,声学称为建筑物"交混回响"。是指声源发声后,声音在建筑物内会有多次反射,而连续发声则会有连续的多次反射,由于听者双耳同时会接受除了声源直接传播的声音外,还有不同距离、不同时间的反射声,歌声、音乐声再加上反射声就成为不清晰的噪音了。对于剧场、音乐厅来讲,造成"交混回响"的还应包括坐椅和观众。

所以,理想的剧场、音乐厅,对建筑的反射、吸收极为"讲究"。舞台作为声源,要讲究声音的音质、音量,运用舞台建筑空腔、电子等手段对声音反射、聚焦、放大,让声音传到厅、场各处观众,而厅、场的反射、吸收更为讲究,目的就是降低"交混回响",吸收太强,会影响音质、音量,如何合适,还是个相当复杂的技术问题,音乐家和建筑师正在不断努力。所以,理想的剧场:剧场中处处听得清、听得真的剧场,还在不断实践中接近理想。

天坛回音壁是怎么回事

英国伦敦,有一条著名的圆环形"私语走廊",你在这直径三十四米的走廊任何一处墙边说悄悄话,在走廊其他地方,包括直径对面的最远处的人,都能听得清清楚楚。如若你对着墙壁"私语",其他的人会觉得你正在他身边"耳语",十分奇妙。

更为著名的是北京天坛的回音壁。回音壁,是天坛中存放皇帝祭祀神牌的皇穹宇外围墙。墙高约四米,厚一米,直径六十二米,周长一百九十三米。墙壁是用磨砖对缝砌成的,墙头覆着蓝色琉璃瓦。围墙的弧度十分规则,墙面极其光滑整齐,两个人分别站在东、西配殿后,贴墙而立,一个人靠墙向北说话,声波就会沿着墙壁连续折射前进,传到一二百米的另一端,无论说话声音多小,也可以使对方听得清清楚楚,而且声音悠长,堪称奇趣,给人造成一种"天人感应"的神秘气氛。所以称之为"回音壁"。

回音壁直径六十二米比"私语走廊"约大二十八米,而且"私语走廊"有个球形屋顶,而天坛是敞顶的环道。但是,回音壁和私语走廊回音传声的原理都是一样的,敞顶的回音壁在建筑和声学上确实更高一筹。

"悬丝诊脉",真有此事吗

在我国古典小说和传统戏曲里,常有太医为后妃们"悬丝诊脉"的情节。具体方法是:后妃和太医各居一室,由太监或宫女将一根红丝线拴在后妃的手腕上,线的另一端交给太医把按,通过丝线辨别病情。这样做,是为了维护宫廷礼制,以防乱了宫闱。

传说孙思邈给长孙皇后看病就用此法。因孙思邈是从民间而来,不是有官职的太医院的御医,太医就有意试他,先后把丝线拴在冬青根、铜鼎脚和鹦鹉腿上,最后才把丝线系在长孙皇后腕上,让孙思邈为她看病。孙思邈诊得脉象,知是滞产,便开出一剂药方,长孙皇后遂顺利分娩。同行问其窍门,孙思邈笑而不答。相信同学们一样,也想知道究竟吧?病人的脉象能否通过丝线传导给医生呢?

原来,当被诊断的病人脉搏振动时,会引起丝线的震动,医生通过分析病人脉搏的振动情况就可以进行诊断了,这是利用了声音可以通过固体传播的原理。为了能使听到的声音更大,可以在丝线的两端各装一个小纸盒,因为固体传声的能力不仅与温度、物质种类有关,还与其硬度有关。

古人求医悬丝诊脉,令人费解,那今天的听诊器又有什么原理呢?

人听到声音的原因是物体振动引起周围介质波动。例如空气振动人耳中鼓膜,转化为脑电流,人就"听"到了声音。通常人耳朵能感受的振动频率为20赫~20千赫。

人对声音的感受标准还有一个是音量。音量和波长有关,正常人听觉的强度范围为0~140分贝。

换句话说:音频范围内声音太响太弱都听不到,音量范围内音频太小(低频波)或太大(高频波)也听不到。

人能听到声音还和环境有关,人耳有屏蔽效应,就是强声可以遮盖弱声。

人体内部的声音如心跳声、肠鸣音、湿啰音等甚至血液流动的声音不大能让人"听"到的原因是音频过低或音量太小了,或被嘈杂环境遮蔽掉了。听诊器的原理就是物质间振动传导参与了听诊器中的铝膜,而单非空气,改变了声音的频率、波长,达到了人耳"舒适"的范围,同时遮蔽了其他声音,"听"得更清楚。

怎样寻找回声?

谁都没有看到过它,

听呢,--每个人都听到过,

没有形体,可是它活着,

没有舌头--却会喊叫。

--涅克拉索夫

马克·吐温写过一个笑话,说到一位不幸的收藏家想搜集……你猜搜集什么?搜集回声!他不辞劳苦地收买了许多能够产生多次回声的土地。

首先,他在乔治亚州收买回声,这地方的回声可以重复4次,接着跑到马里兰去买6次回声,以后又到美恩去买13次回声。接下去买的是堪萨斯的9次回声,再下去是田纳西的12次回声,这一次买得非常便宜,因为峭岩有一部分崩毁了,需要加工修理。他以为可以把它修理好,但是担任这个工作的建筑师却向来没有过把回声变成三倍的经验,因此终于把这件事情搞坏了,--加工完毕以后,这地方恐怕只适宜给聋哑的人去住了……

这当然只是开玩笑;但是很好听的多次回声却也的确在地球上各地方存在的,有的很早就已经引起大家注意,变成全世界出名的地方了。

这里可以提几个有名的回声的例子:在英国的武德斯托克,回声可以清楚地重复17个音节,格伯士达附近迭连堡城的废墟能够得到27次的回声,后来一堵墙壁给毁坏,这回声才"静默"下去。捷克斯洛伐克的亚德尔士巴哈附近一个圆的断岩,在一定的地方上可以使7个音节做3次重复的回声,但是离这个地点几步,即使步枪的射击也不会发生回声。更多次数的回声曾经在米兰附近的一座城堡(现在已经不存在了)听到过:从侧屋窗子放出的枪声,回声重复了40~50次;用大声读一个单字,也能够重复30次之多。

其实要想找到一个仅能听到一次回声的地方倒是不容易的。在我们国家也有很多能听到很多次回声的地方。因为这里被森林包围的平原众多,有很多林间空地。只要站在空地里大声喊叫,就会多多少少从林间反射来回声。

山地里的回声跟平地上不同,种类很多,可是听到的机会反而少。在山地里,要听到回声比在树林环绕着的平地里困难。

你就会明白这是什么原因。回声实际上就是从某个障碍物反射回来的声波,它和光的反射一样。"声线"(就是声波传播的方向)的入射角也等于它的反射角。

在不平坦的地面上寻找回声,是需要一定的技巧的。甚至已经找到了最合宜的地方,还得知道怎样把它"召唤"出来。首先,你不可以站在离障碍物太近的地方:应该让声音走过一段相当远的路,--否则回声回来得太快,会跟原来发的声音汇合到一起。我们知道声音的速度是每秒340米,那么就不难了解,当我们站在离障碍物85米的时候,你应当在发出这声音以后半秒钟,听到这个回声。

虽然回声的产生是"由于一切声音在空旷的空间产生自己的反映",--但是并不是所有声音反映得同样清晰的。"野兽在森林里吼叫,或者是号角在吹,或者是雷声在轰鸣,或者是一个女孩子在土丘后面歌唱",所得到的回声都各不相同。所发声音越尖锐、越断续,所得到的回声就越清晰。最好是用拍手来引起回声。人的声音引起的回声比较不清晰,特别是男子的声音;妇女和孩子的高音调可以得到清晰得多的回声。

大雪后为什么很寂静

冬天,一场大雪过后,人们会感到外面万籁俱静。这是怎么回事呢?难道是人为的活动减少导致的吗?那么,为什么在雪被人踩过后,大自然又恢复了以前的喧嚣?

原来,刚下过的雪是新鲜蓬松的,它的表面层有许多小气孔,当外界的声波传入这些小气孔时便会发生反射。由于气孔往往是内部大而口径小,所以,仅有少部分声波的能量能通过口径反射回来,而大部分的能量则被吸收掉了,从而导致自然界声音的大部分均被这个表面层吸收,故出现了万籁俱寂的场面。而雪被人踩过后,情况就大不相同了。原本新鲜蓬松的雪就会被压实,从而减小了对声波能量的吸收。所以,自然界便又陕复了往日的喧嚣。

噪声的危害真不少

噪声是相对于那些使人感到轻松愉快、精神振奋的声音而言的。指凡是影响人们正常学习、工作和休息的声音,凡是人们在某些场合"不需要的声音",都统称为噪声。如机器的轰鸣声,各种交通工具的马达声、鸣笛声,人的嘈杂声及各种突发的声响等,这些声音是发声体做无规则振动时发出的。

美妙动听的音乐会让人感到轻松愉快、精神振奋,欣赏优美动听的音乐是一种艺术享受。从物理角度看,音乐是乐音,它是声源有规则振动发出的悦耳动听的乐音。悦耳动听的音乐有改善神经系统、内分泌系统和消化系统的功能,能提高思维能力,有助于儿童的生长发育。

然而,噪声对人的影响就截然不同了。

噪声是一种由为数众多的频率组成的并具有非周期性振动的复合声音。简言之,噪声是非周期性的声音振动。它的音波波形不规则,听起来感到刺耳。

噪声危害着人们的机体,使人感到疲劳,产生消极情绪,甚至引起疾病。另外,高强度的噪声,不仅损害人的听觉,而且对神经系统、心血管系统、内分泌系统、消化系统以及视觉、智力等都有不同程度的影响。

20世纪90年代,英国一个流行乐队举行了一次演唱会,演唱会过后,有300名听众失去知觉,昏迷不醒。诊断结果是因为声音极度刺耳,致使听众休克。

无独有偶,20世纪50年代在西班牙曾经有80人自愿作为喷气发动机噪声作用的试验对象,试验结果非常悲惨,其中28人当场死亡,其余的人都得了严重的麻痹症。

因此,噪声被公认为是仅次于大气污染和水污染的第三大公害。

在我国,为了减少噪声的危害,有关标准规定,住宅区噪声,白天不能超过55分贝,夜间应低于45分贝。世界上一些城市颁布了对交通运输所产生噪声的限制。

为了防止噪声,我国著名声学家马大猷教授曾总结和研究了国内外现有各类噪声的危害和标准,提出了三条建议:

1.为了保护人们的听力和身体健康,噪声的允许值在75~90分贝。

2.保障交谈和通信联络,环境噪声的允许值在45~60分贝。

3.对于睡眠时间建议在35~50分贝。

当然,噪声并非是百害而无一利,尤其是随着现代科学技术的发展,人们也能利用噪声造福人类。

比如,利用噪声进行除草。科学家发现,不同的植物对不同的噪声敏感程度不一样。根据这个道理,人们制造出噪声除草器。这种噪声除草器发出的噪声能使杂草的种子提前萌发,这样就可以在作物生长之前用药物除掉杂草,用"欲擒故纵"的妙策,保证作物的顺利生长。

家庭生活中;为了避免楼上、楼下的噪声通过天花板和地板传入室内的振动声,通常会设置吊顶,以隔绝从上空传来的噪声。同时铺设地板,以隔绝从地面传来的噪声。