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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