奇妙的聲音

文/江蘇省蘇州市吳江區八坼小學 曹燕南

要問聲音是怎樣產生的，見多識廣的同學們一定能說出來：“聲音是振動產生的。”比如，我們輕輕彈撥皮筋、擊鼓時，就能聽到因物體振動而產生的聲音。而我們能發出聲音，也是因為喉嚨里有一個發聲器官——聲帶。聲帶就像一根橡皮帶，當我們發聲時，聲帶變緊，并快速振動，產生聲音。聲帶越緊，發出的聲音越高。同學們可以將手輕輕地放在喉結處并發聲，就能感覺到聲帶的振動了。

聲音的傳播

在物理學上，聲音被定義為以聲波的形式通過諸如氣體、液體或固體之類的傳輸介質傳播形成的振動。聲音的產生需要聲源，例如揚聲器的振動膜片。聲源在周圍介質中產生振動，振動會以聲速從聲源處傳播開，從而形成聲波。聲波作為機械波，可以通過諸如空氣、水和固體之類的介質，以縱波形式傳播，在固體中也可以以橫波的形式傳播。聲波的傳播，實質上是能量在介質中的傳遞。

聽不到的聲音

聲波可以被分解成不同頻率的正弦波，所以可以用振幅、頻率、速度等物理參數一一來描述。科學家將每秒鐘振動的次數，稱為聲音的頻率。聲音的頻率通常以赫茲（Hz）表示。要知道，人們普通談話的聲波頻率在200~800Hz之間，我們的耳朵能聽到的聲波頻率為20~20 000Hz。頻率低于20Hz的聲波，稱為次聲波或超低聲；頻率為20~20 000Hz的聲波，稱為可聞聲；頻率為20 000 Hz~1MHz的聲波,稱為超聲波；頻率大于1MHz的聲波，稱為特超聲或微波超聲。

由于次聲波的頻率很低，大氣對其吸收甚小，因此它比一般的聲波、光波和無線電波都要傳得遠，能傳到幾千米至十幾萬千米以外。次聲波能繞開某些大型障礙物發生衍射，有些次聲波甚至能繞地球2~3周。1883年8月，南蘇門答臘島和爪哇島之間的克拉卡托火山爆發，產生的次聲波繞地球3圈，全長10多萬千米，歷時108小時。除了傳播距離遠，次聲波還具有極強的穿透力，不僅可以穿透大氣、海水、土壤，而且還能穿透堅固的鋼筋水泥構成的建筑物，甚至連坦克、軍艦、潛艇和飛機都不在話下。

雖然我們聽不到次聲波，但可千萬別小看了次聲波。要知道，地震或核爆炸所產生的次聲波可將房屋摧毀。而某些頻率的次聲波由于和人體器官的振動頻率相近甚至相同，能放出相當大的能量，對人體有很強的傷害性，危險時可致人死亡。如4~8Hz的次聲波能在人的胸腔和腹腔里產生共振，可使心臟出現強烈共振、肺壁受損。

除了次聲波，我們聽不到的聲音還有超聲波。超聲波的方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫學、軍事、工業、農業上有很多的應用。

防暴警察使用定向次聲波武器驅散示威人群

超聲波清洗技術

理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率成正比。超聲波在介質中傳播時，介質質點振動的頻率很高，因而能量很大。例如，在中國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使水罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內，就可以增加室內空氣濕度，這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病，很難利用血流使藥物到達患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量，還可以使人體內的結石做劇烈的受迫振動而破碎，從而減緩病痛，達到治愈的目的。除此以外，超聲波還能對物品進行殺菌、消毒。

醫療霧化

塔科馬大橋

聲音的威力

你有沒有想過，將紙卷成筒狀放到耳朵上可以聽到聲音是怎么回事？簡單來說，紙筒放在耳朵上聽到聲音，是紙筒內的空氣柱從環境噪聲中“選出”了與空氣柱共振的聲波并放大的結果。實際上，紙筒內的空氣柱會與頻率等于空氣柱固有頻率的聲波發生共振，將這一頻率的聲波放大。而空氣中噪聲的頻率組成是雜亂無章的，其中總會存在這一頻率的聲波。如果我們在完全安靜的地方做這個實驗，由于沒有了噪聲這一驅動，我們將什么也聽不到。空氣柱的共振頻率也會隨著空氣柱的形狀改變而改變，比如短紙筒“發出”的聲音頻率會高一些，而長紙筒“發出”的聲音頻率會低一些。在物理學中，這種空氣發生共振的現象被稱為亥姆霍茲共振。打開高速行駛汽車的窗戶會聽到“呼呼”的風聲，也是亥姆霍茲共振的一種體現。

聲音甚至能震碎玻璃杯，你相信嗎？其實，這也與共振有關。當我們給物體施加一個周期性的外界激勵時，如果外界驅動的頻率和物體的無阻尼固有頻率相同，物體振動的增幅最大。這時，我們稱物體發生共振時的外界激勵的頻率為共振頻率。最著名的例子非塔科馬大橋的坍塌事故莫屬。塔科馬大橋位于美國的華盛頓州，在第一座塔科馬大橋建成通車4個月后，一股速度為19米/秒、相當于8級的風把它吹塌了。而這個事故之所以會發生，就是因為當風吹動橋梁時，在橋梁后面形成“卡門渦街”，“卡門渦街”以一定的頻率拍動橋梁，當拍動的頻率與橋梁本身固有頻率相同時，發生了共振現象，使橋坍塌。共振現象能讓一座大橋都坍塌，震碎一個小小玻璃杯顯然不在話下。

生活中還存在著許許多多關于聲音的小知識，等待著同學們去探索、去發現！