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第5章 声学天空(1)

声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。媒质包括各种状态的物质,可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质;机械波是指质点运动变化的传播现象。

现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用,以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性质,也有量子性质。

声学的中心是基础物理声学,它是声学各分支的基础。声可以说是在物质媒质中的机械辐射,机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播。人类的活动几乎都与声学有关,从海洋学到语言音乐,从地球到人的大脑,从机械工程到医学,从微观到宏观,都是声学家活动的场所。

声学的边缘科学性质十分明显,边缘科学是科学的生长点,因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。

1.来路不明的客人

美国电话电报公司当今在国际上是500强的企业,这家公司是在1925年由美国科学家贝尔成立的。

1928年,电信工程师卡尔·央斯基来到了美国电话电报公司的实验室。

“你负责搜索和鉴别电话的干扰信号,”公司领导对新来的央斯基说,“这样才能更好地改进电话性能。”

央斯基愉快地点点头:“好的。”

央斯基在单调乏味的工作岗位上,默默无闻、无怨无悔地干了三年,然而他是一个做事非常认真的人,平凡的工作他也干得有声有色。

1931年秋天的一个上午,卡尔·央斯基像往常一样,仔细地接听、辨别接收机里的各种信号。突然,他的耳机里传出一种奇怪的“咝咝”声。

这奇怪的杂音引起央斯基的注意,他心想:“这是什么声音,难道有什么新的干扰吗?”

细心的央斯基发现这种噪音不同于一般噪音,显得很平稳,一直保持着那种“咝咝”的声音,而一般噪音的干扰是不稳定的。

“这里一定隐藏着什么。”他一边想着,一边在心里小声地说。

一般人对一件小事,或者一个细节都很容易忽略,但年轻的央斯基却紧抓不放。这微弱的声音,却对后来的天文学界产生了巨大的影响。

“真是一件怪事,这种干扰信号竟然每隔23小时56分4秒就出现最大值,信号就特别强。”央斯基既非常困惑,又非常惊喜,并对这一“噪音”产生了很大的兴趣,希望能够破解其中的奥秘。

央斯基继续集中精力来监听这一声音。起初,他推测这一微弱的声音可能来自太阳,后来发现这一声音每次总是提前4分钟来临,又推测它不是来自太阳。

“这个来路不明的‘客人’到底是谁呢?”央斯基彻夜未眠,他总想找到身份不明的干扰源。

时间一天一天过去了,央斯基的研究仍然没有结果。后来,他去一位朋友那里做客,当他谈及心中的难题时,这位研究天文学的朋友说:“恒星时的周期比太阳时的周期每天要短4分钟。”

朋友的话就像什么东西刺到了他的神经,让他马上产生了灵感。他想:“这个奇怪的信号,一定是和某颗恒星有关。这个无线电波一定是来自太阳系以外的一个地方。”

他经过一年多的精确测量和周密分析,工夫不负有心人,终于确认这种“哨声”来自地球大气之外,是银河系中心人马座方向发射的一种无线电波辐射。

这个意外的发现,引起了天文学界的震动,从此拉开了射电天文学研究的序幕。

央斯基发现射电波给我们最大的启示,在于让我们懂得现代科学的各门学科之间是相互交错,又相互联系的,某一学科的偶然发现往往是另一门学科诞生或有重大突破的开始。

广播节目的发送在广播电台进行。广播节目的声波,经过电声器件转换成声频电信号,并由声频放大器放大,振荡器产生高频等幅振荡信号;调制器使高频等幅振荡信号被声频信号所调制;已调制的高频振荡信号经放大后送入发射天线,天线将高频能量转换成无线电波辐射出去。

2.乐师驱“鬼”

在古代,洛阳有个和尚买了一个磬(qìng,形状类似于钟,是能发出声音的乐器)放在房间里。自从这个磬放在房间以后,经常无缘无故地发出“嗡嗡”的声音。这件奇怪的事情在寺庙里渐渐传开了,寺里的和尚都认为这是鬼在作怪。他们想了许多办法要把这“鬼”驱走,但都没有实现。

这时,买磬的和尚也被吓出了病。有一天,他的一位朋友来探望他,这个人是个乐师。乐师拿起磬敲了敲,左看看,右看看,折腾了好长时间也没搞清楚是什么原因,他也只好无奈地起身告辞。这时,寺里的大钟响了,那个磬也跟着“嗡嗡”地响起来。乐师看了看磬,紧皱的眉头舒展开了。他笑着说:“你不用担心,明天我来把‘鬼’赶走。”

第二天,乐师果真来了,他从怀中取出一把锉刀,在磬的不同地方狠狠地锉了几下。自从锉过以后,那个磬再也没有发出“嗡嗡”的声音。

这时,寺里的和尚都前来问乐师缘由,乐师告诉他们,那是因为寺里大钟的频率和磬的频率一样,产生了共振。把磬锉了以后,它与大钟的频率就不同了,也就不会随便地响了。

如果队伍走路的步伐一致的话,也会产生一定的频率,很可能和其他物体产生共振,并且威力有可能大得吓人。队伍过桥的时候,一定不能走正步,就是这个原因。

乐器频率

3.从暖瓶到管乐

小英在家是个勤劳的孩子,打水、洗碗等家务活全会干。一天,她打水时,无意中用耳朵听了听暖瓶的声音,发现暖水瓶里有声音,她非常疑惑。她打了很长一段时间的水,灌暖水瓶的时候,热气腾腾,很难看清水是否灌满,但是几乎都听得出来,水是不是灌满了。

刚一开始水瓶是空的,水撞击瓶底发出低沉的咚咚声,随着水位的升高,声音变得尖细起来。因此,小英通过听声音的变化,就可以准确地知道暖水瓶是不是灌满了。

这是为什么呢?为了寻求本源,小英找到了自己的物理老师,恰巧他们下周就要上声学课了,老师说:“下周实验课时,我给你解谜吧!”时间很快就到了实验课上,老师开课就和同学们说:“让我们先寻找一下这个声音是怎么发出来的。用一支铅笔轻轻地敲一下玻璃瓶胆,瓶胆发出的声音和灌水时听到的完全不一样。看来,那声音不是玻璃瓶胆发出来的。”

同学们都议论纷纷,小英体会最为深刻,她可想得知这瓶胆里还有什么?空气和水?似乎也不像流水发出的哗啦哗啦的声音,“嫌疑犯”就是瓶子里的空气吗?老师说:“别看空气看不见摸不着,但空气是我们这世界中声音的主要发生和传播者。”

老师接着又说:“小英,你现在可以利用这个知识解释灌暖水瓶时听到的声音了。”小英说:“水灌进暖瓶里,扰动了空气,使空气振动,随着水位的增加,上方的空气柱变短,所以音调变高。”

老师说:“现在,我们进一步把这个道理推广开来,便可知道,这也是许多管乐器发声的原理。

“其实,笛子是用一根竹管做成的,在侧面开了许多孔。吹笛子的时候,用手指堵住不同的侧孔,就能改变音调。堵住侧孔的作用,就是在控制笛子内空气柱的长度。笛子管内空气柱的长度是从吹口处到第一个被打开的侧孔计算的。如果用手指把侧孔全部堵上,空气柱最长,音调最低,把最靠吹口的一个侧孔打开,空气柱最短,这时候音调最高。你再想想,单簧管、双簧管等管乐器,不也是用这个道理吗!

“原始的号也是一样,这种乐器很长,西藏喇嘛寺举行庆典的时候,吹的法号有十几米长,发出的声音很低沉。如今把号管卷起来,这也是一个聪明的发明。”

一节课之后,小英和她的同学都增长了不少知识。

中国古代学者曾经利用空气柱的长度和体积来统一全国的度量衡。他们选择十二个音律管中的第一根,即黄钟律管,作为度量衡的标准。把它的长度定为九寸,用它作为全国度量衡的基准。各地方都保存着由中央统一翻造的黄钟律管,好随时对照。

当发声体振动时,在空气中产生声波,如果空气振动的频率和另一个发声体的固有频率相同或接近,该发声体也会振动起来,发出声音,这种现象叫做声音的共鸣。

4.聚焦声音

在意大利的西西里岛上,有一个石窟,人们给它起了一个怪名字,叫做“杰尼西亚耳朵”。人们只要站在石窟入口处的某个地方,就能听到很远处窟底的声音,就连很微弱的声音,甚至人的呼吸声都能听到。在古代的传说中,暴君杰尼西尼就把囚犯都关在这里,犯人所说的话都可以窃听到,在当时的情况下,他们一直不明白是谁泄露了犯人之间的秘密,后来人们才发现这是声音聚焦的原因。

随着后来科学的发展,哪怕街上有两个人正在低声交谈,远处的人听不清楚他们在说什么,只要屋里的一个人打开一把大号阳伞,伞口对准窗户外面的说话人,在靠近伞柄的地方,谈话声就会变得清晰起来。这是美国某一个商店推出的一种新型的窃听设备。

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