1、聲音的奧妙
我們每天都會接觸到各種各樣的聲音，有大自然的鳥鳴和風聲，有辛勤勞動者們發出的各種勞作聲，有親人的呼喚，還有你自己快樂或不快樂時發出的不同聲音。每天的聲音都是那麼的豐富和多樣，沒有誰能夠計算出從一早醒來再到睡去一天經歷了多少聲音。
正是聲音賦予了我們世界無盡的活力，給視覺的多姿多彩配上了樂章。
就像空氣一樣，人類可能感覺到聲音與生俱來就存在，除了科學家，一般人很少去想到這些聲音是怎麼來的，它們裡面有什麼奧妙，今天我們就一起來感受一番。
聲音是一種機械波，也是壓力波，是物體受到機械壓力發生振動的聲波。聲音從聲源發出，通過介質傳播，被人類或者其他動物的聽覺器官感知。
這裡面有幾個需要注意的關鍵詞，就是聲音應該具備三個條件，聲源、傳遞介質、接受裝置。
聲源：不同的聲源會發出不同的聲音，都是物體受到某種壓迫產生振動的結果：人的聲音是空氣壓迫聲帶產生振動；爆炸的聲音是能量導致地震、石裂、空氣急劇膨脹的振動；音樂是敲擊彈奏樂器的振動；風是空氣流動和吹動物體的振動。
介質：聲音的傳播需要介質，聲音在真空中無法傳播。這是因為聲音是機械波，必須通過物質的振動來傳播，真空中沒有物質（即使有極少量粒子也不足以傳播聲音）。
聲音的傳播在不同介質中速度是不一樣的，在氣體中傳播的最慢，液體中快於氣體，固體快於液體。而且聲音傳播速度喜熱怕冷，溫度越高傳播速度越快，反之越慢。
聲波在空氣中傳播，溫度0度（攝氏度，後同）時為331m/s（米/秒，後同），15度時為340m/s，25度時為346m/s。
聲波在液體中的傳播速度：煤油為1324m/s，蒸餾水為1497m/s，海水1531m/s；在固體中：尼龍為2600m/s，冰為3160m/s，松木為3320m/s，銅棒為 3750m/s，大理石為3810m/s，水泥4800m/s，鋁棒為5000m/s，鋼鐵5200m/s。也有一些例外，某些物質固體傳音速度比液體還慢，比如軟木，每秒為500米，低於液體。
根據不同介質聲波傳播速度不同的特點，人們在很多方面會予以利用。比如早期鐵路信息傳遞不是很靈通的時候，鐵路工人會將耳朵貼在鐵軌上，能夠更早的聽到火車的運行聲。
聲音有很多內在特性，響度、音調、音色是聲音的三個基本特徵。
響度是人感覺到聲音大小，也稱作音量，由聲音的振幅和聲源距離決定。振幅越大、距離越近我們聽到的響聲就越大，反之就越小。這個以分貝（dB）來表示。比如有人敲鼓，越使勁聲音就越大；有人放炮仗，距離你越近，就感覺越響，震耳欲聾。這個應該很容易理解。
人們正常對話，一般在50分貝左右，因此這是人類感到比較舒適的響度；響度達到85分貝以上，就讓人精神緊張，長時間就無法忍受了；100分貝以上就可以使人暫時失聰失去聽覺，120分貝就可以瞬間刺穿人的耳膜，160分貝可以震碎玻璃，200分貝震碎人的內臟死亡。
音調是與響度不一樣的感覺。比如一個音響，響度就是把音量調高調低，而音調則是高音部和低音部的區別。即使把音量調到較小，人們還是能夠感覺到高音的刺耳，低音的沉重。一些人在汽車裡加裝低音炮就能夠感受到超重低音的共鳴。
音調的實質是聲音的振動頻率，這是聲音最重要的一個特性，就是聲源發出的機械波每秒振動的次數，用Hz（赫茲）表示。人類耳朵一般所能接受的聽覺範圍在20~20000Hz，也就是每秒振動20次到20000次的振動頻率，低了或者高了就聽不不到了。
低於這個頻率範圍的聲波叫次聲波，高於這個頻率範圍的聲波叫超聲波。在這個世界，有些動物能夠聽到和發出次聲波和超聲波，因此具備比人類更強的聽覺能力。
音色又叫音品，是不同特性的材質發出不同聲音的一種表述，這是一個抽象的概念。比如敲棍子的聲音和敲銅鑼的聲音就不一樣，人歡馬叫的聲音也不一樣，這個不能以分貝和頻率來衡量，而是波形來區別。通過方波、鋸齒波、正弦波、脈衝波等不同波形，就可以區分出不同的音色，把這種抽象的東西具體化。
人類對聲音的接受和適應度有一種共性，就是喜歡愉悅的聲音，研究證明，當兩個物體碰撞振動發出聲音時，兩者的振動頻率比如果是可化簡成簡單比，比如3：7，我們就能夠感覺這個聲音很好聽；反之兩者振動頻率為不可化簡的複雜比，如201：388，這個聲音就會很難聽，感覺刺耳。
一般來說，美好的音樂都是能夠化簡的簡單比，所以能使人愉悅；而噪音大多數是無法化簡無規則振動發出的聲音，因此使人煩躁不安。當然另一個角度來說，凡是幹擾人們正常生活學習休息的聲音都可視為噪音，比如夜深人靜你在人家房前大放音樂，就是再好聽，也是噪音幹擾。
上面說的就是音樂的一些基本屬性，下面我們來討論一下特殊的聲音對人類的影響。
2、難以忍受的寂靜世界
如果你厭倦了這個世界的嘈雜，想找一個寂靜的世界遠離聲音時，我建議你去一個地方試一試，那裡曾被稱為世界上最安靜的地方。
可是我打賭你在那裡絕對呆不了多久，就會倉皇逃出。
因為在那個特製的空間，聲音被消除了99.99%，在那個地方你幾乎聽不到任何聲音，唯一的聲源就是你自己。
很快，在那裡你就會聽到自己的心跳和腸胃蠕動的聲音，而且越來越響；你會不辨方向、失去平衡，開始迷失和彷徨，而且會越來越強烈；這個時候如果你身上的一粒扣子脫落掉在了地上，就如一聲爆裂的驚雷，有可能把你震暈。
再也無法忍受的你只能倉皇出逃，否則就會因抓狂而精神崩潰。
這絕不是故弄玄虛危言聳聽，凡到過「奧菲爾德實驗室」一嘗滋味的人，都有這種恐怖的感受。這個坐落在美國明尼蘇達州明尼阿波利斯市區的消音室，曾經很長一段時間獨領「世界最安靜地方」桂冠。
但這個紀錄在2015年被一項吉尼斯紀錄刷新了，「世界最安靜空間」桂冠另有它屬。
這就是位於華盛頓州雷德蒙德市的微軟總部Building 87消音室，這個消音室創下了最低-20分貝的恐怖指標，從而擊敗了明尼蘇達州明尼阿波利斯的奧菲爾德實驗室，奪得「世界最安靜空間」的桂冠。
這個消音室由6層混凝土和鋼筋組成，採用了「洋蔥式」結構設計，將其與建築物其餘部分和外部世界完全隔離開來。消音室安置在地下6層層深處，放置在一組減震彈簧頂部，完全與大樓脫離連接。室內，楔子狀的玻璃纖維製品被安裝在地板、天花板、牆壁上，地板是一層吸音懸索構成的柵格。
這種鋪滿了特殊隔音材料，並經過精心計算排列成特定形狀的設計，確保所有聲音都能在聲波反彈之前被全部粉碎而完全吸收。
微軟這個消音室的首席設計師亨德拉吉·戈帕爾是一位研究語言和聽覺的科學家，他在一封郵件中寫道：「人一旦進入房間，就能立即感覺到一種難以描述的奇怪而獨特的感覺」。
在日常生活中，我們的耳朵常受一定程度聲音的影響，所以耳膜處總存在一定氣壓。但是，一旦進入消聲房，因為沒有來自周圍牆壁的聲音反射，耳膜的持續氣壓就消失了。
大多數人在無聲狀態下會感覺耳聾並發脹，或出現耳鳴，接著非常微弱的聲音會變得清晰可聞，你輕微轉一下頭頸會聽到骨節的嘎嘎聲，並聽見自己沉重的呼吸聲和唾液在嘴裡喉嚨裡流動的聲音，即便是腸蠕動的聲音也會變得雷鳴般的可怕。
人類聽覺最低可以聽到0分貝的聲音，平靜的呼吸聲為10分貝，但這個微軟Building 87消音室竟然達到了-20.6分貝的聲音極限，微軟相關負責人Gopal Gopal介紹，根據布朗運動顯示，在太空中隨機移動的空氣粒子聲大約為-23分貝，理論上已經不能再低。這個消音室創造出了-20.6分貝，接近了這個極限，因此在這裡就有親臨其境置身於太空中的感覺。
迄今為止，沒有人能夠在這個「世界最安靜的空間」呆上45分鐘以上。如果你有幸得以進入「世界最安靜空間」一試，或許會「懷疑」或重新審視人生，經歷了那樣的痛苦後，你會加倍珍惜我們這個有聲世界，甚至連噪音也會覺得並不那麼難聽。
世界上還有很多地方建造了消音室，都是為了各種測試而建造的，中國也有幾座。雖然這些消音室沒有那個「世界最安靜的空間」那麼恐懼，但肯定都不是人呆的地方。
真正寂靜肯定不是人類能夠忍受的世界。
3、恐怖的次聲波
如果說次聲波能夠殺人，你信嗎？
1910年，人們在火地島海岸發現了一艘帆船，經檢查驗證，竟然是20年前從紐西蘭駛往英國途中，突然神秘失蹤的「馬可波羅號」帆船。
人們早就以為這艘船要麼遇到風浪被掀翻了，要麼受到海盜洗劫。但歷經20年突然出現在人們眼前的「馬可波羅號」卻完好無損，更為詭異的是船上的物品都原封未動，死去多年的船員遺骸甚至「各就各位」，保持著堅守崗位的姿態，船長的航海日誌字跡還歷歷在目！
沒有風浪衝擊的痕跡，也沒有與海盜打鬥的跡象，船上淡水糧食充足，這些船員並非渴死餓死困死，一切顯得那麼的恐怖和靈異。
無獨有偶，1948年初，一艘荷蘭貨船在通過馬六甲海峽時，一場風暴過後，船沒翻，船員卻莫名其妙全部死光；在匈牙利一個叫鮑拉得利的山洞入口，3名旅遊者突然同時倒地停止了呼吸。
難道我們這個世界真的有鬼怪存在？或者有所謂的「百慕達三角」未解之謎之類的靈異事件？科學家們可沒有這麼簡單的下結論，通過對這些死亡事件長期跟蹤研究，甚至對一些死亡人員進行了解剖，最終，科學家們鎖定了次聲波這個罪魁禍首。
次聲波是頻率小於20Hz的聲波，這種聲波人類聽不見，卻會對人類身體造成重大損害，甚至致死。
自然界有很多可能發出次聲波的事物，比如海上風暴、火山爆發、電閃雷鳴、波浪拍岸、漩渦湍流、隕石撞擊、龍捲風、磁暴、極光、地震等等，還有人為的核爆炸、飛彈飛行、火炮發射、車船航行、高樓晃動、甚至鼓風機、攪拌機、擴音器等，這些現象在發出人類可聽見聲音的同時，會產生次聲波。
次聲波波長很長，這種長長的驚人，有的可以繞地球幾圈，所以古代有人說繞梁三日，用在次聲波上一點都不誇張。
次聲波不但波長很長，而且還有極強的穿越能力，可以穿透大氣、海水、土壤，甚至堅固鋼筋水泥建築、軍艦、潛艇、飛機、坦克，且被大氣海水吸收極少，因此次聲波武器可以不損壞建築和隔離物，而殺死生員。
美國物理學家羅伯特·伍德在50年前就做過一個實驗，他以為英國倫敦一家新劇院開張做音效檢查為名，在劇場演出時悄悄來到裡面，打開了一個儀器，無聲無息的工作了一會，就有觀眾出現了惶惶不安的神情，並很快蔓延到了整個劇場。當他關閉了儀器後，觀眾的神情才恢復了正常。
次聲波能夠傷害人，是因為人體內臟的固有頻率和次聲波頻率相近似。當次聲波的振蕩頻率與人類大腦產生共振時，就能強烈刺激大腦，給人造成恐懼不安甚至癲狂狀態，直至死亡；當次聲波振蕩頻率與人體內臟器頻率接近或同步時，共振將會摧毀臟器甚至大小血管同時迸裂而死。
次聲波不但會對人體產生破壞，還能夠對建築等物體造成破壞，如果次聲波與房屋、橋梁等建築振動頻率相同，就會造成這些建築的共振而受到破壞，嚴重的將導致建築的崩潰倒塌。
人類聽不到次聲波，但有些動物能夠聽到，比如狗、大象、鯨魚、水母等，都能夠感知一定頻率的次聲波，尤其是大象既能聽到次聲波，又能夠發出次聲波。
能夠發出次聲波的還有老虎、鱷魚，它們發出次聲波的主要作用是求偶。當地震等一些巨大的自然災害來臨時，一些能夠感知次聲波或超聲波的動物往往比人類更敏感，提前知道大禍將臨，倉皇出逃。
次聲波雖然是一個很可怕的東西，但就像毒藥一樣，要有足夠的量和針對性才能夠真正的傷人，否則像前面說的那麼多現象都會產生次聲波，人類不早就死絕了。次聲波傷人要在頻率、能量、和作用時間三個因素都能夠滿足時，還要看被共振的對象各個方面的條件正好符合次聲波的深入，引起內部共振，才會起到傷害作用。
研究認為，4~18Hz的次聲波對人體有較大傷害，其中7Hz傷害最厲害，可以致人於死地。
由於次聲波對人類傷害較大，很多國家已經將其明確列入公害目錄，並規定了最大允許次聲波標準，實施了防治措施。但據傳也有一些國家一直在研究次聲波武器，流言或科幻不乏用次聲波殺人或摧毀設施的描述。不過迄今為止，還沒有真正使用次聲波殺人的證據。
不管怎樣，次聲波都是一個對於人類很恐怖的東西，但人類掌握好了，也可以為人類所用，比如用於預測氣候、診療疾病等等。
4、應用廣泛的超聲波
超聲波是頻率在20000Hz以上的聲波，同樣是人類聽不到的聲音，但有一些動物可以聽到。比如狗、貓、蝙蝠、飛蛾、海豚等，這裡表揚一下狗，它不但可以聽到高達50000Hz，甚至高達100000Hz以內的超聲波，還能夠聽到15Hz以上的次聲波，所以狗的聽力是人類的16倍絕非虛傳，它們用聽覺和嗅覺彌補了眼神的不足。
超聲波也可以傷害人，但比其次聲波來說就危害小多了，要傷害人需要很高的科技和操作手段。超聲波比起次聲波來說，更多的是具有服務人類的諸多功能。
這主要得益於超聲波的四大效應，即機械效應、理化效應、溫熱效應、超聲效應。人們利用超聲波方向性好、穿透力強、易於獲得較集中的聲能、在水中傳播距離遠等特點，廣泛的運用在軍事、工業、農業、醫學、生活等眾多領域方方面面，讓其在測距、測速、清洗、焊接、醫療、健康、碎石、殺菌等方方面面大顯神通。
我們在日常生活中隨時可能得到超聲波的幫助。
現在北方冬天為了解決室內空氣乾燥問題，使用的超聲波加溼器就是採用超聲波高頻振蕩的原理，將水霧化為一至五微米的超微粒子，通過風動裝置，將水霧擴散到空氣中，從而達到均勻加溼空氣的目的。
用超聲波清洗物件，就是通過超聲波發生器發出高頻振蕩信號，通過換能器轉換成高頻機械振蕩傳播到介質，是液體流動而產生數以萬計的微小氣泡，在聲壓作用下，氣泡迅速增長又突然閉合，產生衝擊波和上千個大氣壓，破壞粉碎不溶性汙物，乳化油脂，達到洗滌淨化效果。
現在醫院超聲診斷設施很多，分為A型、B型、M型、D型四大類。一般使用最多的是B超，幾乎人人都用過，醫生們用一個探頭在檢查者肚子上移動，就可以得到一些臟器的圖像，從而診斷出是或不是有什麼毛病。
還有超聲心電圖、經顱都卜勒等，也是常見的超聲波診斷儀器。
超聲波應用的頻率一般為：作為清洗用途的超聲波頻率一般在25KHz～130KHz（千赫茲）之間，常用的工作頻率為28KHz，33KHz，40KHz，80KHz，100KHz，120KHz等。
軍用聲納一般最高頻率在100KHZ以下，醫用設施超聲波頻率在1MHz～30MHz（兆赫茲）。
總之，超聲波的好處枚不勝舉，可以預見，在未來人類文明發展道路上，超聲波將會發揮越來越多，越來越重要的作用。
5、奇妙的回聲
聲波遇到一個障礙物，就會被反射回來，這就稱之為回聲。
這是聲波一個很重要的特性。聲音遇到不同的障礙物，或反射距離的不同，回聲都會有不同的差別，人們就利用這些差別，可以判斷聲音遇到的物體是什麼有多遠。
回聲有距離要求，人的聽力很難辨別間隔小於0.1秒的兩次聲音。聲音在空氣中傳播速度為340m/s左右，因此如果回聲障礙物距離只有17m左右，我們就很難聽到回聲，而是一種混響。音響裡面就有混響的聲音，可以加強音效。但我們生活中這種混響太多，就會造成幹擾，影響聲音或音樂的清晰度。因此會堂、影劇院等場所在設計時就要充分考慮內部的形狀、結構、隔音、吸音等措施，使聲音混響恰到好處，改善和增強室內音質效果。
在動物界，有一些動物就是利用聲波的反射回聲來定位和捕食的，比較典型的就是蝙蝠。
蝙蝠在飛行中，會發出一種尖銳的叫聲，這種叫聲超出了人類的聽覺範圍，頻率最高可達120KHz，屬於超聲波的範圍。然後它們用靈敏的聽力收集周圍傳來的回聲，經過大腦的判斷，就能夠隨時了解周邊物體位置和形狀，而且知道這個物體是否在移動，因此蝙蝠在黑暗中飛行也不會撞到障礙物，而且還可以定位蚊子、飛蛾等飛行中的昆蟲，一口吞噬。
這就叫回聲定位，採用這種定位方法的還有海豚、鯨魚、海獅、東南亞的金絲燕等，這些動物的回聲定位系統使自身的生存能力大大加強。
其實人類也有回聲定位能力，只是平時沒有需要就退化了。一些盲人經過訓練就有了這方面的能力，用舌頭髮出聲音，憑聽覺感知回聲來確定周圍物體所在位置，而且能夠知道物體是什麼材質。
美國有個叫本·昂德沃德的加州男孩就有這個技能，他用舌頭髮出一系列聲音流，然後聽到只有他自己能聽到的各種回聲。據他描述，樹木的回聲很濃厚，金屬物的回聲是軟的，玻璃的回聲很尖銳，並且能夠通過回聲的強弱程度來判斷物體的遠近。
人類就是利用這一點，發明了聲納。聲納就是利用聲波的回聲來分析周圍甚至遠方的物體狀態，這種利用聲音進行探測的裝置，彌補了人類眼睛和耳朵的不足。
其實我們的汽車倒車雷達也是利用回聲定位的一種聲納形式。
聲納更多的用在水中探測上，主要原因是光波和電磁波在水中衰減很快，幾米幾十米就沒有了，而聲波在水中衰減就好多了，雖然慢點但傳輸距離很遠，達到成千上萬千米。
人類最早的聲納出現在1912年著名的海難鐵達尼號與冰山相撞沉沒後，為了尋找這艘沉船，美國科學家設計製造了第一臺水下回聲探測儀，這就是聲納的雛形。經過一戰二戰軍事強國爭奪海上霸權的發展，聲納技術越來越成熟。
現代聲納有主動性和被動型。主動聲納是靠自身發射聲波來探測目標；被動聲納式只接受目標發出的聲音來發現目標，而自身並不發射聲波，以達到隱蔽效果。
理論上次聲波、聲波、超聲波都可以在聲納中運用，各有千秋。次聲波穿透力最強，而超聲波最差，但定向性最好，聲波適中。
現在被動聲納採用的頻率範圍一般為3He~97000He，主動聲納頻率範圍一般為3000He~97000Hz。
聲納現在是各國海軍進行水下監視使用的主要技術手段。對水下目標進行探測、分類、定位、跟蹤，進行水下通訊和導航，保障艦艇、反潛飛機和反潛直升機的戰術機動和水中武器的使用，如魚雷制導、水雷引信控制等。
聲納技術還廣泛用於民間的魚群探測、海洋石油勘探、船舶導航、水下作業、水文測量、海底地質地貌勘測等，可以說，現代航海技術少了聲納已經不可想像。
現代電腦等相關科學的發展，使聲波回聲的利用如虎添翼，可以根據聲波反射回來的細微變化，快速精準的將抽象的回波合成為能夠看見的三維圖像，使人類的視力和聽力得到了巨大的延伸。
聲音真是一個奧妙無窮的大自然饋贈，我們一定要好好珍惜，好好利用。
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