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海螺里听到的,是大海的声音吗?
时间:2022-10-18 09:22:30来源:中国科普博览

漫步海边,捡一只被海浪带到沙滩上的海螺,放在耳边就能听到大海的声音。如果有人送你一只号角似的海螺,就仿佛送给你一片碧蓝的大海,可以随时随地听海风阵阵、海潮澎湃,随时随地都可以哼着“你喜欢海风咸咸的气息,踩着湿湿的沙砾”,去“面朝大海,春暖花开”,想想都是一件超级浪漫的事儿!

那么,海螺是大海的留声机吗?通过海螺随时随地听到的真的是大海的声音吗?

(图片来源:中科院声学所)

实践是检验真理的唯一标准。我们把手指并拢,弯曲成半密闭的凹形,或者换一个杯子、小碗等容器,贴近耳朵,静心聆听,也能听到“大海”的声音。这些容器并非来自大海,里边传出来的难道会是大海的声音?当然不是。那么,海螺里听到的声音自然也不是大海的声音了。

从海螺里听到的,是血液流动的声音吗?

(图片来源:veer图库)

有人说,海螺里听到的声音是血液流动的声音,因为当海螺贴在耳朵上时,会将血液流动的声音放大。

不妨让我们再来做个小小的实验。在同一声场环境下,让同一个人在正常状态下和剧烈运动之后听海螺,比较听到的这两个声音,并没有明显差异,声音没有因为剧烈运动而变得更尖锐或更响亮,这表明海螺里的声音不是人体血液流动的声音。

海螺里的声音来自哪里?

那么海螺以及类似的小容器里听到的声音,到底来自哪里?

我们同样可以做一个小实验来进行验证。找到大小不同的几个杯子,分别慢慢靠近耳朵,在杯子口将贴未贴到耳朵的某一位置时,我们能听到类似“大海”的声音。用不同大小的杯子,听到的声音略有不同。杯子越大,声音越低沉;杯子越小,声音越清亮。我们听到的声音是杯子对环境噪声的过滤,此时杯子可以看作一个声音的过滤器,专业上称为滤波器。

(图片来源:千库网)

综上,海螺里的声音不是大海的声音,而是海螺过滤的所在声场环境的噪声。如果是在海边听海螺里的声音,你听到的主要是过滤之后大海的声音。如果是在大海之外的其他声场环境下,海螺里听到的就不是大海的声音。

(图片来源:veer图库)

海螺原来是个直播“达人”

海螺里的大海声,并非来源于它的原生态记忆,而是对当下声环境的现场直播。海螺的直播,依靠了物理学上一个常见的现象——共振。共振指两个振动频率相同的物体,当一个物体发生振动时,引起另一个物体振动。在声学领域,共振被称为“共鸣”,指物体因共振而发声的现象。海螺、小碗、杯子等是容易引起共振的物理系统,当声音频率和腔体本征频率一致,就会产生共鸣,使声音放大,这时将其放到耳边就能听到“大海”的声音。

动图来源:《加油向未来》

用于演示共振现象的音叉

(图片来源:中科院声学所)

德国物理学家、生物学家(Hermann von Helmholtz)1850年设计命名的亥姆霍兹共鸣器,其原理类似于通过海螺来听“大海”的声音。亥姆霍兹共鸣器的设计理念是通过共振原理,分辨噪声或音乐中不同频率或音调的声音。亥姆霍兹共鸣器的原始形状就是一个有细颈或小口的容器,环境中的声音引起空气扰动,因空气弹性形变导致压力变化,推动容器细颈或小口处的空气柱往复运动,这个不断振荡的过程,就会发出声音。海螺和亥姆霍兹共鸣器都属于口小腔大的结构,其发声原理也相同。某种意义上,海螺算得上是一个自然界的直播“达人”,不仅对环境噪声进行了过滤,也起到了扩音的效果。

亥姆霍兹共鸣器原理图

(图片来源:中科院声学所)

从海螺听“海”到古代声学应用

中国古代就有对声音共振原理的应用。早在战国初期,《墨子·备穴》就记载了用于军事防御的共鸣器:在城墙根下每隔一段距离挖一口深井,埋入一个肚大口小的坛子,坛口用薄皮革蒙紧,然后放入井内,派听觉灵敏的人趴在坛口上听声音,来判断敌方挖隧道的方位,然后进行反击。这种适合守城的装置被称为“瓮听”,也叫“地听”。关于“设瓮助声”,山西省汾阳市石塔村龙天庙的古戏台是很好的例证,其两侧山墙对称嵌入大中小三种陶瓮,共计14个,陶瓮口口相对,以起到扩音的效果。

山西汾阳石塔村龙天庙古戏台山墙上嵌设的14个陶瓮

(图片来源:文献3)

古代行军作战时,为方便携带,“地听”的设计趋向于轻巧且实用。唐代李筌在《太白阴经·游奕地听篇》中记录了一种叫做“空胡簏”的空心枕,他写道:“选少睡者,令枕空胡簏卧。有人马行三十里外,东西南北皆有响见于胡簏中,名曰‘地听’。”北宋沈括《梦溪笔谈·器用》中描述了这种警枕的制作材料和大体形态:“古法以牛革为矢服,卧则以为枕。取其中虚,附地枕之,数里内有人马声,则皆闻之。盖虚能纳声也。”这种“地听”是用牛皮制作的箭筒,行军休息时置于地上枕之,因其中空,故能“纳声”。试想,古代的将士们在扎营休息时通过这些神奇的小玩意儿,在几十里外就能听到敌方行军的动静,从而做出相应的对策,古人可真聪明啊!

古代声学知识应用的巧思令人敬佩,科学的种子早在古代就播撒在了人们的心里,科学之花在古旧的历史书上绽放华彩。到了现代,共振现象被广泛应用于社会生活的方方面面,如医用听诊器,钢琴、小提琴、吉他等乐器的共鸣箱,微波炉,建筑用振荡器等。

将一只海螺放在耳边,我们听到的是环境中的噪声,而海螺是环境噪声的过滤器与放大器。

所以,我们从海螺里听到的,不只是大海的声音,而是大自然的声音!

参考文献:

[1] 马大猷.亥姆霍兹共鸣器的发展[J].物理,1993(08):452-456.

[2] 杨阳,高策. “设瓮助声”之争——科学史上的一桩公案[N]. 光明日报,2016-04-06(T14)

[3] 杨阳,高策,丁宏.山西石塔村龙天庙古戏台设置陶瓮的声学技术[J].自然科学史研究,2014,33(01):70-82.

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