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第2章 “雪花落水也有声”中的声学知识

雨水降落时我们总能听到声音,小则浙淅沥沥、滴滴答答,大则倾盆而泻、噼里啪啦。但是下雪怎么样,同学们听到过雪的声音没?不错,雪花落水静悄悄,在我们听来是毫无声响的,不过,雪花落水还是会发出声波。首先要说明的是,雪花落水发出的声波频率在50千赫到200千赫之间,海里的鲸鱼就能听到雪花落水所产生的声音,并且这些声音令鲸鱼异常烦躁。然而,请不要想当然地认为,这些声音是雪花与水面撞击发出的,那到底是从哪发出的声音呢还是让我们先读一段故事,从故事中掌握物理原理吧故事发生在冷战时期,当时美国海军要监视苏联潜水艇的活动,他们发现,在下雨的时候,水下声纳工作效果不好,常有噪声干扰,甚至无法监听。

他们把这个问题交给华盛顿大学声学物理实验室的克拉姆教授,克拉姆又找到普罗斯·佩勒提教授,后者在声学界颇有名望,是个奇才。普罗斯·佩勒提猜想:这些声音不该是雨滴撞击水面发出的,而应是含在雨滴中的气泡振动发出的。他把这个想法告诉其他科学家,大多数人都摇头。然而克拉姆有这些摇头科学家没有的一个设备:一个每秒可拍摄1000张照片的高速水下摄影机。利用这台摄影机,他确实在下雨时发现水中产生气泡,这些气泡还在不断地收缩、膨胀、振动。他还发现,大气泡振动产生低频声波,小气泡振动产生高频声波。有些人还告诉他们,渔民也常抱怨,在下雪时声呐也常常侦听不到鱼群的活动情况。一开始,他们也不信,因为雪花中含有90%以上的水,空气不多。后来,在一个风雪交加的夜晚,他们在一个汽车旅馆的游泳池找到了证据,雪花落水时也产生气泡,同样,这些气泡也振动,从而发出声波。其实,无论是人们打水漂时所听到的细微声响,还是瀑布的隆隆震响,都不是(或主要不是)来自石块及岩石与水的碰撞,而是来自气泡。

渔民经常因为雪花的降落侦测不到鱼群而抱怨,那么鱼会不会受到影响呢?鱼长耳朵没?它们能听到声音吗?答案是鱼确实有耳朵,且多数鱼听力甚好。

人类耳朵里有鼓膜,声音进入耳朵使鼓膜振动,这种振动传到耳朵内的听觉部分,就能听见声音了。

声音在水中传播要比在空气中容易得多。鱼的体内有大量的水,因为鱼没有鼓膜,声音直接穿过鱼的身体,到达耳朵,事实上多数鱼的耳朵根本不与外界相通,而是被保护在头两侧的囊中,囊就在眼睛后面。

许多种鱼能用另一种方式收集声音。它们的耳朵与鳔相连,水中的声音使鳔壁振动,就像声音穿过空气使鼓膜振动一样。然后这种振动通常沿着与鳔相连的一串小骨头传到耳朵里。有些鱼不是靠小骨头传送振动,而是靠从鳔延伸出的管状器官。

声音对鱼很重要。许多鱼能彼此发出有力的叫声,几千米以外都能听见。有些鱼通过磨牙发声,另一些鱼在身上摩擦鳍发声。许多鱼用鳔发声辨声。特殊的可敲击肌肉振动鳔发出声音。

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