ag平台投注网 海螺里能听见大海的声音?

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时间:2020-01-11 17:58:11

ag平台投注网 海螺里能听见大海的声音?

ag平台投注网,有学生问我:“声音是振动产生的,那把一个保温杯扣在耳朵上听到的“嗡嗡”声是由什么振动产生的呢?”

想了半天也没能把答案简化成两三句话,还是让我从头说起吧。

(陈老师的保温杯)

好像不论中外,很多民间传说都有“把海螺放在耳边能听到大海的声音”的说法。

这么重要的传说,陈老师当然是试过的!

除了海螺,陈老师还试过杯子、瓶子、管子自己的手等等各种各样能扣在耳朵上的东西。基本都能听到“嗡嗡”声,只是具体的音调和音色大同小异。这个声音听上去不太像海浪的波涛声,更像是一种风呼啸的声音。

海螺也好、杯子也罢,亦或是其他类似的东西。他们共同的特点就是有一个很大的空腔(当然是相对而言),这个空腔构了一个共鸣腔。

共鸣腔有自己的一组(注意是一组而不是一个)固有频率,和它的固有频率相符的声音会在腔内得到共振加强,而其他频率的声音则会在一一次碰到腔壁反射时被削弱、吸收掉。

我们从海螺、杯子等等共鸣腔中听到的声音,其实并不是它们自己发出的,而是环境中的风声雨声读书声、喧哗声、装修声、汽车声、火车声等等声音进入共鸣腔后被共鸣腔选频过滤后的结果。

简单说来,“海螺”们并不是声源,而只是一个外界声音过滤器。(有种观点认为,我们听到的其实就是经过海螺们过滤的外界“白噪声”)。

共鸣腔其实是个很常见的东西,提琴、吉他的那个大木箱子,各种笙管笛箫、唢呐、大小号圆号之类的管乐器、歌唱家的颅腔、口腔、胸腔(传说中的三腔共鸣)等等都是。

共鸣腔的固有频率和腔的大小、形状、材质(主要是材料的弹性性质)、腔内的气体(主要是气体密度)等等因素有关。

一般来说共鸣腔材质弹性越好,共鸣效果越好(比较少吸收)。所以提琴、吉他、各种管乐器都要找尽可能弹性好的材料来制作。

共鸣腔尺寸越大,则所能允许的共鸣频率越低,反之则越高,所以低音提琴的那个“木箱子”就比小提琴大好几号。

对于简单的管状共鸣腔,或者说空气柱的共鸣,如果管子是封闭的,那所能允许的最长共鸣波长是它自身长度的4倍,如果管子开放,那所能允许的最长共鸣波长是它自身长度的2倍,对复杂形状的共鸣腔而言情况会复杂些,不过极限基本也可以按照这个计算。

至于具体的关系,波速等于波长乘以频率,空气中波速一般按340米每秒计算,声音的频率嘛,钢琴上中央a的频率是440赫兹,其他音大家自己按十二平均律算吧。

共鸣腔内的气体密度越大,共鸣频率越低,反之则越高。这个大家可以去看我们在第一季《加油!向未来》里做的实验,小撒在吸入六氟化硫和氦气后声音发生了明显的变化。

说到这里突然想起了一位前辈大神,德国的德国物理学家、数学家、生理学家赫尔曼·路德维希·斐迪南德·冯·亥姆霍兹(hermann ludwig ferdinand von helmholtz,1821~1894)。

他的研究横跨了生理学、光学、电动力学、数学、热力学等一大堆领域,而且在每个领域的成就都够别人干好几辈子的。

比如到处都能看见的拿来制造匀强磁场的亥姆霍兹线圈、医院里大夫给你看眼底时用的眼底镜、再比如这世界的基本规则之一——能量守恒定律,都是这位老兄的成果。

老先生还有几个超牛的学生,比如发现电磁波的赫兹,用迈克尔逊-莫雷实验测量光速的迈克尔逊(1907年诺贝尔物理学奖获得者),发明彩色玻璃照相术的李普曼(1908年诺贝尔物理学奖获得者),维恩位移律的发现者维恩(1911年诺贝尔物理学奖获得者)。实在是身不能至、心向往之。

怎么想起他老人家呢?

你听歌时有没有看到过播放器上常常有个可视化频谱的窗口?我们听到的声音其实都是由很多不同频率的声音合成得到的。而世界上第一个对声音进行频谱分离和分析的就是这位大神,用的是一个有小开口的铜球形成的共鸣器(亥姆霍兹共鸣器)。

一不小心扯远了……

回到我们的问题,为什么只有在把“海螺”们扣在耳朵上时才能听到“嗡嗡”声呢?

主要原因有二:

一是有效隔离了外界的声音,从而使原来被淹没的那些复合共鸣腔共振频率的声音被显露出来。

二是这些东西本身都是开口的,扣在耳朵上时才形成一个较为封闭的结构,除了能更好地隔离外界声音外,共鸣器的选频放大效果也会显著提高。

此外,我们人的听觉除了靠空气传入鼓膜、耳蜗的气传导途径外,还有通过骨骼传递的一套骨传导系统(听说过骨传导耳机么?)。只是这套系统灵敏度很低,平时基本都被气传导的外界声音淹没了。

当外界声音被降低到一定程度的时候,骨传导的声音也会显露出来。

如果我们处在一个声学暗室里(就是一间所有声音都被吸收,几乎完全没有外界声音的环境),把“海螺们”扣在耳朵上,此时还是会听到一些声音,那不再是“海螺”共鸣器过滤的声音,而是通过骨传导感知到的我们自己体内的血流、肌肉、骨骼运动等等的声音了。

好了说了这么多,还是动手试试吧。换换不同的“海螺”,看看听到的声音有什么不同吧!

(作者:北京交通大学陈征博士)


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