聲波賜予人類美好享受,也可頃刻間殺人於無形,其中的科學很深奧

2020-12-05 時空通訊

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,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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    一些影視劇中,我們經常可以看到利用聲波武器來殺人和震碎玻璃的情景那麼在現實生活中真的可以做到嗎?聲波沒有重量,可以穿過固體液體和氣體,也就是說聲波可以穿過人類的身體聲波有兩個關鍵的參數,分別是強度和頻率。
  • 地球上最可怕的4種生物,最後一種擁有美麗外表,卻能殺人於無形
    歷史上,牛是人類用於農業耕耘的重要工具之一,在牛被人類成功馴服之後,牛的存在代替了人類大量的勞動,並讓農業迅速發展起來。在人們的眼裡,牛是一種溫厚、老實的動物,它們也是勤勞的象徵,但在某些時刻,牛的脾氣會變得無比暴躁,而我們都知道,一頭成年的牛如果對人類發起攻擊會有怎樣可怕的結果。
  • 三九天裡,稀罕的藍色天空,陪伴的美好時日
    頃刻間,天空黯然失色,不時籠罩在灰濛濛中,雖說也有不少的藍天,人們總覺得少一些。可今年的冬天,這藍天真是奇妙,越發的光彩照人,羨慕的眼光看這藍天,看不夠的風姿,日日如此。每天起床後,先看藍天,舒爽得很,心裡也是美滋滋的。走在馬路上,忍不住再拍幾幅藍天照,欣賞著藍色的風景,一種滿滿的幸福感油然而生,藍天真好!
  • 刷牙具象化 飛利浦聲波震動牙刷帶來口腔革命
    刷牙具象化 飛利浦聲波震動牙刷帶來口腔革命牙刷基本可以分為傳統的手動牙刷、旋轉式電動牙刷,以及近幾年才流行起來的聲波震動牙刷三大類。那麼,首先我們先來看看在科學的解釋上,手動牙刷和電動牙刷的優劣吧。旋轉式電動牙刷清潔牙齒示意圖而聲波震動牙刷主要以馬達驅動刷頭產生達到聲波頻率級別的高速往復震動,其每分鐘震動頻次可高達31000次,再加以結合左右5.5mm刷毛的震動幅度,在口腔中帶動水流和氣泡產生流動潔力,從而有效清除牙間隙等口腔死角。飛利浦Sonicare聲波震動牙刷有關研究顯示,旋轉式電動牙刷比聲波震動式電動牙刷更容易造成牙齒的磨損。