什么!神奇海螺竟然是“直播達(dá)人”?

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漫步海邊,撿一只被海浪帶到沙灘上的海螺,放在耳邊就能聽(tīng)到大海的聲音。如果有人送你一只號(hào)角似的海螺,就仿佛送給你一片碧藍(lán)的大海,可以隨時(shí)隨地聽(tīng)海風(fēng)陣陣、海潮澎湃,隨時(shí)隨地都可以哼著“你喜歡海風(fēng)咸咸的氣息,踩著濕濕的沙礫”,去“面朝大海,春暖花開(kāi)”,想想都是一件超級(jí)浪漫的事兒!

那么,海螺是大海的留聲機(jī)嗎?通過(guò)海螺隨時(shí)隨地聽(tīng)到的真的是大海的聲音嗎?

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圖片來(lái)源:中科院聲學(xué)所

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

我們把手指并攏,彎曲成半密閉的凹形,或者換一個(gè)杯子、小碗等容器,貼近耳朵,靜心聆聽(tīng),也能聽(tīng)到“大?!钡穆曇?/strong>。這些容器并非來(lái)自大海,里邊傳出來(lái)的難道會(huì)是大海的聲音?當(dāng)然不是。那么,海螺里聽(tīng)到的聲音自然也不是大海的聲音了。

01

從海螺里聽(tīng)到的,是血液流動(dòng)的聲音嗎?

有人說(shuō),海螺里聽(tīng)到的聲音是血液流動(dòng)的聲音,因?yàn)楫?dāng)海螺貼在耳朵上時(shí),會(huì)將血液流動(dòng)的聲音放大。

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圖庫(kù)版權(quán)圖片,不授權(quán)轉(zhuǎn)載

不妨讓我們?cè)賮?lái)做個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)。在同一聲場(chǎng)環(huán)境下,讓同一個(gè)人在正常狀態(tài)下和劇烈運(yùn)動(dòng)之后聽(tīng)海螺,比較聽(tīng)到的這兩個(gè)聲音,并沒(méi)有明顯差異,聲音沒(méi)有因?yàn)閯×疫\(yùn)動(dòng)而變得更尖銳或更響亮,這表明海螺里的聲音不是人體血液流動(dòng)的聲音。

02

海螺里的聲音來(lái)自哪里?

那么海螺以及類似的小容器里聽(tīng)到的聲音,到底來(lái)自哪里?

我們同樣可以做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。找到大小不同的幾個(gè)杯子,分別慢慢靠近耳朵,在杯子口將貼未貼到耳朵的某一位置時(shí),我們能聽(tīng)到類似“大海”的聲音。用不同大小的杯子,聽(tīng)到的聲音略有不同。

杯子越大,聲音越低沉;杯子越小,聲音越清亮。我們聽(tīng)到的聲音是杯子對(duì)環(huán)境噪聲的過(guò)濾,此時(shí)杯子可以看作一個(gè)聲音的過(guò)濾器,專業(yè)上稱為濾波器。

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綜上,海螺里的聲音不是大海的聲音,而是海螺過(guò)濾的所在聲場(chǎng)環(huán)境的噪聲。如果是在海邊聽(tīng)海螺里的聲音,你聽(tīng)到的主要是過(guò)濾之后大海的聲音。如果是在大海之外的其他聲場(chǎng)環(huán)境下,海螺里聽(tīng)到的就不是大海的聲音。

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03

海螺原來(lái)是個(gè)直播“達(dá)人”

海螺里的大海聲,并非來(lái)源于它的原生態(tài)記憶,而是對(duì)當(dāng)下聲環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)直播。海螺的直播,依靠了物理學(xué)上一個(gè)常見(jiàn)的現(xiàn)象——共振。共振指兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的物體,當(dāng)一個(gè)物體發(fā)生振動(dòng)時(shí),引起另一個(gè)物體振動(dòng)。在聲學(xué)領(lǐng)域,共振被稱為“共鳴”,指物體因共振而發(fā)聲的現(xiàn)象。

海螺、小碗、杯子等是容易引起共振的物理系統(tǒng),當(dāng)聲音頻率和腔體本征頻率一致,就會(huì)產(chǎn)生共鳴,使聲音放大,這時(shí)將其放到耳邊就能聽(tīng)到“大?!钡穆曇?。

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當(dāng)演員的聲音頻率與玻璃杯的本征頻率相同時(shí),玻璃杯就會(huì)因共振而破碎。動(dòng)圖來(lái)源:《加油向未來(lái)》

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用于演示共振現(xiàn)象的音叉。圖片來(lái)源:中科院聲學(xué)所

德國(guó)物理學(xué)家、生物學(xué)家(Hermann von Helmholtz)1850年設(shè)計(jì)命名的亥姆霍茲共鳴器,其原理類似于通過(guò)海螺來(lái)聽(tīng)“大?!钡穆曇簟:ツ坊羝澒缠Q器的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)共振原理,分辨噪聲或音樂(lè)中不同頻率或音調(diào)的聲音。

亥姆霍茲共鳴器的原始形狀就是一個(gè)有細(xì)頸或小口的容器,環(huán)境中的聲音引起空氣擾動(dòng),因空氣彈性形變導(dǎo)致壓力變化,推動(dòng)容器細(xì)頸或小口處的空氣柱往復(fù)運(yùn)動(dòng),這個(gè)不斷振蕩的過(guò)程,就會(huì)發(fā)出聲音。海螺和亥姆霍茲共鳴器都屬于口小腔大的結(jié)構(gòu),其發(fā)聲原理也相同。某種意義上,海螺算得上是一個(gè)自然界的直播“達(dá)人”,不僅對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行了過(guò)濾,也起到了擴(kuò)音的效果。

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亥姆霍茲共鳴器原理圖。圖片來(lái)源:中科院聲學(xué)所

04

從海螺聽(tīng)“?!钡焦糯晫W(xué)應(yīng)用

中國(guó)古代就有對(duì)聲音共振原理的應(yīng)用。

早在戰(zhàn)國(guó)初期,《墨子·備穴》就記載了用于軍事防御的共鳴器:在城墻根下每隔一段距離挖一口深井,埋入一個(gè)肚大口小的壇子,壇口用薄皮革蒙緊,然后放入井內(nèi),派聽(tīng)覺(jué)靈敏的人趴在壇口上聽(tīng)聲音,來(lái)判斷敵方挖隧道的方位,然后進(jìn)行反擊。這種適合守城的裝置被稱為“甕聽(tīng)”,也叫“地聽(tīng)”。

關(guān)于“設(shè)甕助聲”,山西省汾陽(yáng)市石塔村龍?zhí)鞆R的古戲臺(tái)是很好的例證,其兩側(cè)山墻對(duì)稱嵌入大中小三種陶甕,共計(jì)14個(gè),陶甕口口相對(duì),以起到擴(kuò)音的效果。

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山西汾陽(yáng)石塔村龍?zhí)鞆R古戲臺(tái)山墻上嵌設(shè)的14個(gè)陶甕。圖片來(lái)源:文獻(xiàn)3

古代行軍作戰(zhàn)時(shí),為方便攜帶,“地聽(tīng)”的設(shè)計(jì)趨向于輕巧且實(shí)用。唐代李筌在《太白陰經(jīng)·游奕地聽(tīng)篇》中記錄了一種叫做“空胡簏”的空心枕,他寫(xiě)道:“選少睡者,令枕空胡簏臥。有人馬行三十里外,東西南北皆有響見(jiàn)于胡簏中,名曰‘地聽(tīng)’?!?/p>

北宋沈括《夢(mèng)溪筆談·器用》中描述了這種警枕的制作材料和大體形態(tài):“古法以牛革為矢服,臥則以為枕。取其中虛,附地枕之,數(shù)里內(nèi)有人馬聲,則皆聞之。蓋虛能納聲也?!边@種“地聽(tīng)”是用牛皮制作的箭筒,行軍休息時(shí)置于地上枕之,因其中空,故能“納聲”。

試想,古代的將士們?cè)谠鸂I(yíng)休息時(shí)通過(guò)這些神奇的小玩意兒,在幾十里外就能聽(tīng)到敵方行軍的動(dòng)靜,從而做出相應(yīng)的對(duì)策,古人可真聰明??!

古代聲學(xué)知識(shí)應(yīng)用的巧思令人敬佩,科學(xué)的種子早在古代就播撒在了人們的心里,科學(xué)之花在古舊的歷史書(shū)上綻放華彩。到了現(xiàn)代,共振現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的方方面面,如醫(yī)用聽(tīng)診器,鋼琴、小提琴、吉他等樂(lè)器的共鳴箱,微波爐,建筑用振蕩器等。

將一只海螺放在耳邊,我們聽(tīng)到的是環(huán)境中的噪聲,而海螺是環(huán)境噪聲的過(guò)濾器與放大器。

所以,我們從海螺里聽(tīng)到的,不只是大海的聲音,而是大自然的聲音!

參考文獻(xiàn):

[1] 馬大猷.亥姆霍茲共鳴器的發(fā)展[J].物理,1993(08):452-456.

[2] 楊陽(yáng),高策. “設(shè)甕助聲”之爭(zhēng)——科學(xué)史上的一樁公案[N]. 光明日?qǐng)?bào),2016-04-06(T14)

[3] 楊陽(yáng),高策,丁宏.山西石塔村龍?zhí)鞆R古戲臺(tái)設(shè)置陶甕的聲學(xué)技術(shù)[J].自然科學(xué)史研究,2014,33(01):70-82.

出品|科普中國(guó)

作者|王麗娜 楊馥錦(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 水下環(huán)境信息感知實(shí)驗(yàn)室)

監(jiān)制|中國(guó)科普博覽

選送單位:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中心

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評(píng)論
坦 蕩 蕩
少師級(jí)
海螺里的聲音不是大海的聲音,而是海螺過(guò)濾的所在聲場(chǎng)環(huán)境的噪聲。
2022-09-24
演繹無(wú)限精彩!
大學(xué)士級(jí)
將一只海螺放在耳邊,海螺是環(huán)境噪聲的過(guò)濾器與放大器。我們從海螺里聽(tīng)到的,不只是大海的聲音,而是大自然的聲音!
2022-09-24
科普科普知識(shí)的搖籃!
太師級(jí)
我們從海螺里聽(tīng)到的,不只是大海的聲音,而是大自然的聲音!這就是大自然的神奇之處!
2022-09-24