“捕捉”振動

□文/南京市玄武高級中學 張軍

聲音是由物體振動產生的，固體、液體、氣體都能振動發聲。但是,物體的振動很難用肉眼直接觀察到。比如，標有“440”字樣的音叉被敲擊后，每秒振動440次，眼睛根本看不清楚。物理上用頻率來描述物體振動的快慢，每秒振動440次，頻率就是440赫茲；每秒振動100次，頻率就是100赫茲。并不是所有的振動都能引起人的聽覺反應，20 ~ 20 000赫茲的聲波傳到人耳時才能被聽覺感知，這就是我們聽到的聲音。低于20赫茲的叫次聲波，高于20 000赫茲的叫超聲波。大象、水母、鱷魚能對次聲波產生聽覺，蝙蝠、海豚能對超聲波產生聽覺，狗既能聽到次聲波也能聽到超聲波。

今天，我們就通過幾個有趣的實驗，來“捕捉”這些看不見的振動。

如何看見音叉的振動

在科學研究中，有些現象難以直接觀察，可是這些現象引起的其他現象卻容易觀察，我們就可以通過觀察那些顯而易見的現象，來間接地感知不容易觀察的現象，這種方法叫作轉換法或者轉化法。通過測量容易測得的物理量來間接測量不容易測量的物理量，也是轉換法。

我們可以用多種方法來“轉化”音叉的振動。

方法一：接觸水面。水花濺起，表明音叉在振動；沒有振動的音叉是不會激起水花的。把這兩種現象放在一起對比，這叫比較法（圖1）。

方法二：觸碰繃緊的紙面。紙面隨之振動，發出我們能聽到的聲音。如果紙面振動的規律和我們說話時聲帶的振動規律相同，我們就能聽到紙片“說話”了（圖2）。

方法三： 靠近彈性小球。用透明膠帶把線固定到乒乓球上，讓懸吊的乒乓球靠近音叉，結果乒乓球被彈開了（圖3）。但請大家注意，乒乓球被彈開的次數并不是音叉振動的次數！

方法四： 觸碰手指甲。手指甲會有麻麻的感覺，這種感覺非常奇特，觸碰一次能讓你終生難忘（圖4）。

剛才的轉化中，有通過視覺轉化的，比如濺起的水花、彈開的小球；有通過聽覺轉化的，比如紙面振動發聲；有通過觸覺轉化的，比如手指甲有麻麻的感覺。

敲鑼打鼓背后的科學

現在我們來敲鼓，鼓面振動發出了聲音。但是，鼓面的振動難以觀察，我們就可以使用轉換法。在鼓面上放一些輕小的物體，比如紙團，比如泡沫小球，比如米粒，鼓面振動時，會讓這些輕小物體跳動起來，而且鼓面振幅越大，輕小物體跳得越高（圖5）。我們可以說，這些輕小物體把鼓面的振動“放大”了。我們給“放大”加了一個引號，表示我們并沒有讓鼓面振動得更厲害，只是現象本身更容易觀察了。

但是，請大家注意，輕小物體跳動的次數也不等于鼓面振動的次數！

請同學們再準備一只高腳杯，我們可以通過敲擊、摩擦等方式讓它振動發聲。敲擊，大家都很熟悉了，但是摩擦未必都知道。左手按住杯腳，右手食指蘸些水，在杯口輕輕摩擦，大家就能聽到玻璃杯振動時發出的聲音了。蘸水的目的是調節手指與杯口間的摩擦。現在往杯子里加水，再來聽一聽聲音，音調變低了。把水加多一些，再來摩擦，音調會更低。我們仔細觀察一下水面，水面上有很多細小的、密集的波紋，這就可以顯示玻璃杯的振動了（圖6）。振動具有周期性，我們看到的波紋也有一定的周期。我們甚至可以看到濺起的水花，這是因為振動需要能量的激發，同時振動本身也帶有能量，這種能量還可以向外傳播。

以敲鑼為例。槌的敲擊對鑼面造成擾動，鑼面振動的同時發出聲音。振動的鑼面壓縮或遠離周圍的空氣，在空氣中形成疏密相間的振動，聲音就向四周傳播了。當空氣的振動傳導到我們耳朵中的鼓膜時，鼓膜跟著振動，而且振動的頻率與鑼面振動頻率相同，我們就聽到了鑼聲。也就是說，振動從鑼面傳到鼓膜，是通過空氣來傳遞的，我們把空氣叫作傳聲介質。固體、液體、氣體都可以傳聲，它們在傳聲的同時也必定在振動。

我們用紙杯和線可以自制“土電話”。這個“土電話”靠線傳聲，線是傳聲介質，在傳聲時線也在振動。當線松弛或者線在中途被捏住時，就無法把振動傳給聽筒，便聽不到聲音了（圖7）。

花樣游泳運動員在水下聽到的音樂，是安置在泳池里的揚聲器發出的，聲音通過水傳到運動員的耳朵。這時，水是傳聲介質，在傳播聲音時，水也在振動。

而真空中沒有物質隨著聲源振動，所以真空不能傳聲。

振動從鑼面傳到耳朵非常快。在20℃的室溫條件下，聲音在空氣中每秒大約傳播343米，這比大多數噴氣式飛機都要快。

“捕捉”空氣傳聲時的振動

那么，我們能“捕捉”到空氣傳聲時的振動嗎？答案是可以的，同樣可以用轉化法。

撥動橡皮筋，橡皮筋振動，將聲波傳到我們的耳朵，我們聽到了聲音。空氣傳聲時也在振動，我們可以“捕捉”到這種振動。用線把泡沫小球串起來，懸掛在空中，空氣傳聲時發生的振動或者疏密的變化，會導致這些泡沫小球動起來。拿著橡皮筋在泡沫小球附近彈撥一下，就會看到泡沫小球動起來（圖8）。

我們也可以找兩個紙筒，能找到金屬筒更好。紙筒一端蒙上氣球皮，另一端開口。將兩個紙筒的開口端相對，保持3厘米左右距離。用手指彈擊一個紙筒的橡皮膜，另一個紙筒上的橡皮膜會把筒口的泡沫球彈開（圖9）。這樣我們就知道，空氣將振動從一個紙筒傳到另一個紙筒里，并帶動了橡皮膜的振動。這同時也說明了聲音具有能量。

我們也可以用燭焰的晃動來轉化。將紙筒開口端對準蠟燭的火焰，彈擊橡皮膜，幾乎是聽到聲音的同時，會看到火焰晃動。這時如果用紙蒙住開口端，在紙中間開個小洞，會讓聲能集中一些，在彈擊橡皮膜時，燭焰晃動會更明顯，甚至會熄滅（圖10）。這就是聲波滅火。消防員使用聲波滅火時，聲音的頻率一般控制在20~50赫茲，而且強度比較大。

有趣的共振知識

生活中在振動的物體很多，它們所激發的聲波在空氣中傳播。每時每刻都有大量的聲波在空氣中傳播，我們就生活在聲波的海洋里。但是，這些聲波并不都能引起我們的聽覺，因為有的是次聲波，有的是超聲波。即使是頻率處于20~20 000赫茲的聲波，如果振幅非常小，也很難被我們聽到。那么，有沒有辦法“捕捉”到這些聲波呢？

先了解一下共振的知識。大家再來研究一下音叉的振動發聲。當我們把音叉插在鳴箱上敲擊時，感覺聲音很大；但是，將音叉從鳴箱上取下來，用同樣大小的力再去敲擊，聽上去聲音就小得多了。為什么呢？自然界所有物體都在振動，它們都有自己的一組固有頻率，這是由它們的材料和結構決定的。當外界傳來的聲音頻率與物體固有頻率一致時，會導致物體的振幅增大，反映在聽覺上則是聲音變大了或者說響度變大了。把音叉插在鳴箱上時，箱體發生了共振，所以聽上去聲音大得多。在樂器中，這種共振又叫作共鳴。所有的樂器都帶有共鳴腔，你也可以把它們理解為音箱，用來將聲音的響度變大。笛子的笛腔、二胡的音筒、吉他的中空體等，都是共鳴腔。陶笛的共鳴腔小，而鋼琴的共鳴腔特別大。事實上，中空體都可以用作共鳴腔，材料越堅硬，內壁越光滑，聲音在腔體內的反射越充分，共鳴的效果就越好。我們人類也是自帶共鳴腔的，當聲帶振動時，口腔、鼻腔、咽腔、胸腔、腹腔、顱腔等，都能發生共鳴。聲帶振動本身產生的聲音音量很小，但是經過口腔、鼻腔等共鳴后，音量就大得多了。我們說話時，每個人的腔體共鳴比例都不一樣，所以發聲的音色也各不相同。

現在我們來觀察一下共振現象。找兩個頻率相同的音叉，分別插在兩個鳴箱上，讓鳴箱的開口端相對。敲擊其中一個音叉，另一個音叉也會因為共振而發出聲音。當小球靠近另一個音叉，會被彈開（圖11）。我們也可以說，音叉被敲擊后產生的聲波，在傳播過程中被另一個頻率相同的音叉給“捕獲”了。改變鳴箱之間的距離，聽到的聲音大小也有差別，因為兩個音叉發出的聲波發生了干涉，導致空氣中有的地方振動得到加強，有的地方振動被減弱。

兩個色空鼓，每個金屬片上都標記了唱名，相同的唱名頻率是相同的。如果敲擊標記“2”（唱名為re）的金屬片，“re”音傳播出去，會讓另一個色空鼓上標記“2”的金屬片發生共振（圖12）。

其實，隨便拿個紙盒，或者杯子，或者其他容器，對著它們說話，手都能感受到它們的振動。因為它們都有自己的一組固有頻率，而我們發出的聲波頻率也很豐富，總會有某些頻段和容器的某個或某幾個固有頻率相同，從而發生共振。

將空紙杯放在耳朵邊，可以聽到里面的聲音，紙杯與空氣中傳播的聲波發生了共振。換個容器放在耳朵邊，聽到的聲音就不一樣了，因為共振的頻率變了。這樣利用不同的容器，我們就可以“捕捉”空氣中不同的振動（聲波）了（圖13）。最簡單的方法是卷個紙筒，也能“捕捉”到空氣中的聲波——放在耳朵邊，你能聽到紙筒里的聲音。改變紙筒的長度、粗細，或者把另一端堵起來，你“捕捉”的聲波就不同了。

現在，讓我們用紙杯來做個共振演示器。

將兩個紙杯口相對，用雙面膠粘到一起，豎立放置。在下面紙杯的杯壁上開個洞，插個容器進去作為“話筒”，比如紙杯、塑料瓶、紙筒等（圖14）。

在上面的紙杯底部放一些輕小物體，比如泡沫小球、吸管碎屑。是的，我們又要使用轉化法了。為了防止這些輕小物體“跑掉”，我們在紙杯底部罩上一個透明的塑料杯。現在對著話筒叫喊，紙杯也會振動，手可以感受到，杯底的輕小物體也會動起來。當裝置的固有頻率和你叫喊的聲音頻率一致時，共振便發生了，這時紙杯底部的振幅達到最大，輕小物體也將“手舞足蹈”地大幅度跳動，熱鬧非凡（圖15）！