第5章 声学天空(1)

　　声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。媒质包括各种状态的物质，可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质；机械波是指质点运动变化的传播现象。

　　现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性质，也有量子性质。

　　声学的中心是基础物理声学，它是声学各分支的基础。声可以说是在物质媒质中的机械辐射，机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播。人类的活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所。

　　声学的边缘科学性质十分明显，边缘科学是科学的生长点，因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。

　　1.来路不明的客人

　　美国电话电报公司当今在国际上是500强的企业，这家公司是在1925年由美国科学家贝尔成立的。

　　1928年，电信工程师卡尔·央斯基来到了美国电话电报公司的实验室。

　　“你负责搜索和鉴别电话的干扰信号，”公司领导对新来的央斯基说，“这样才能更好地改进电话性能。”

　　央斯基愉快地点点头：“好的。”

　　央斯基在单调乏味的工作岗位上，默默无闻、无怨无悔地干了三年，然而他是一个做事非常认真的人，平凡的工作他也干得有声有色。

　　1931年秋天的一个上午，卡尔·央斯基像往常一样，仔细地接听、辨别接收机里的各种信号。突然，他的耳机里传出一种奇怪的“咝咝”声。

　　这奇怪的杂音引起央斯基的注意，他心想：“这是什么声音，难道有什么新的干扰吗？”

　　细心的央斯基发现这种噪音不同于一般噪音，显得很平稳，一直保持着那种“咝咝”的声音，而一般噪音的干扰是不稳定的。

　　“这里一定隐藏着什么。”他一边想着，一边在心里小声地说。

　　一般人对一件小事，或者一个细节都很容易忽略，但年轻的央斯基却紧抓不放。这微弱的声音，却对后来的天文学界产生了巨大的影响。

　　“真是一件怪事，这种干扰信号竟然每隔23小时56分4秒就出现最大值，信号就特别强。”央斯基既非常困惑，又非常惊喜，并对这一“噪音”产生了很大的兴趣，希望能够破解其中的奥秘。

　　央斯基继续集中精力来监听这一声音。起初，他推测这一微弱的声音可能来自太阳，后来发现这一声音每次总是提前4分钟来临，又推测它不是来自太阳。

　　“这个来路不明的‘客人’到底是谁呢？”央斯基彻夜未眠，他总想找到身份不明的干扰源。

　　时间一天一天过去了，央斯基的研究仍然没有结果。后来，他去一位朋友那里做客，当他谈及心中的难题时，这位研究天文学的朋友说：“恒星时的周期比太阳时的周期每天要短4分钟。”

　　朋友的话就像什么东西刺到了他的神经，让他马上产生了灵感。他想：“这个奇怪的信号，一定是和某颗恒星有关。这个无线电波一定是来自太阳系以外的一个地方。”

　　他经过一年多的精确测量和周密分析，工夫不负有心人，终于确认这种“哨声”来自地球大气之外，是银河系中心人马座方向发射的一种无线电波辐射。

　　这个意外的发现，引起了天文学界的震动，从此拉开了射电天文学研究的序幕。

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　　央斯基发现射电波给我们最大的启示，在于让我们懂得现代科学的各门学科之间是相互交错，又相互联系的，某一学科的偶然发现往往是另一门学科诞生或有重大突破的开始。

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　　广播节目的发送在广播电台进行。广播节目的声波，经过电声器件转换成声频电信号，并由声频放大器放大，振荡器产生高频等幅振荡信号；调制器使高频等幅振荡信号被声频信号所调制；已调制的高频振荡信号经放大后送入发射天线，天线将高频能量转换成无线电波辐射出去。

　　2.乐师驱“鬼”

　　在古代，洛阳有个和尚买了一个磬（qìng，形状类似于钟，是能发出声音的乐器）放在房间里。自从这个磬放在房间以后，经常无缘无故地发出“嗡嗡”的声音。这件奇怪的事情在寺庙里渐渐传开了，寺里的和尚都认为这是鬼在作怪。他们想了许多办法要把这“鬼”驱走，但都没有实现。

　　这时，买磬的和尚也被吓出了病。有一天，他的一位朋友来探望他，这个人是个乐师。乐师拿起磬敲了敲，左看看，右看看，折腾了好长时间也没搞清楚是什么原因，他也只好无奈地起身告辞。这时，寺里的大钟响了，那个磬也跟着“嗡嗡”地响起来。乐师看了看磬，紧皱的眉头舒展开了。他笑着说：“你不用担心，明天我来把‘鬼’赶走。”

　　第二天，乐师果真来了，他从怀中取出一把锉刀，在磬的不同地方狠狠地锉了几下。自从锉过以后，那个磬再也没有发出“嗡嗡”的声音。

　　这时，寺里的和尚都前来问乐师缘由，乐师告诉他们，那是因为寺里大钟的频率和磬的频率一样，产生了共振。把磬锉了以后，它与大钟的频率就不同了，也就不会随便地响了。

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　　如果队伍走路的步伐一致的话，也会产生一定的频率，很可能和其他物体产生共振，并且威力有可能大得吓人。队伍过桥的时候，一定不能走正步，就是这个原因。

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　　乐器频率

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　　3.从暖瓶到管乐

　　小英在家是个勤劳的孩子，打水、洗碗等家务活全会干。一天，她打水时，无意中用耳朵听了听暖瓶的声音，发现暖水瓶里有声音，她非常疑惑。她打了很长一段时间的水，灌暖水瓶的时候，热气腾腾，很难看清水是否灌满，但是几乎都听得出来，水是不是灌满了。

　　刚一开始水瓶是空的，水撞击瓶底发出低沉的咚咚声，随着水位的升高，声音变得尖细起来。因此，小英通过听声音的变化，就可以准确地知道暖水瓶是不是灌满了。

　　这是为什么呢？为了寻求本源，小英找到了自己的物理老师，恰巧他们下周就要上声学课了，老师说：“下周实验课时，我给你解谜吧！”时间很快就到了实验课上，老师开课就和同学们说：“让我们先寻找一下这个声音是怎么发出来的。用一支铅笔轻轻地敲一下玻璃瓶胆，瓶胆发出的声音和灌水时听到的完全不一样。看来，那声音不是玻璃瓶胆发出来的。”

　　同学们都议论纷纷，小英体会最为深刻，她可想得知这瓶胆里还有什么？空气和水？似乎也不像流水发出的哗啦哗啦的声音，“嫌疑犯”就是瓶子里的空气吗？老师说：“别看空气看不见摸不着，但空气是我们这世界中声音的主要发生和传播者。”

　　老师接着又说：“小英，你现在可以利用这个知识解释灌暖水瓶时听到的声音了。”小英说：“水灌进暖瓶里，扰动了空气，使空气振动，随着水位的增加，上方的空气柱变短，所以音调变高。”

　　老师说：“现在，我们进一步把这个道理推广开来，便可知道，这也是许多管乐器发声的原理。

　　“其实，笛子是用一根竹管做成的，在侧面开了许多孔。吹笛子的时候，用手指堵住不同的侧孔，就能改变音调。堵住侧孔的作用，就是在控制笛子内空气柱的长度。笛子管内空气柱的长度是从吹口处到第一个被打开的侧孔计算的。如果用手指把侧孔全部堵上，空气柱最长，音调最低，把最靠吹口的一个侧孔打开，空气柱最短，这时候音调最高。你再想想，单簧管、双簧管等管乐器，不也是用这个道理吗！

　　“原始的号也是一样，这种乐器很长，西藏喇嘛寺举行庆典的时候，吹的法号有十几米长，发出的声音很低沉。如今把号管卷起来，这也是一个聪明的发明。”

　　一节课之后，小英和她的同学都增长了不少知识。

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　　中国古代学者曾经利用空气柱的长度和体积来统一全国的度量衡。他们选择十二个音律管中的第一根，即黄钟律管，作为度量衡的标准。把它的长度定为九寸，用它作为全国度量衡的基准。各地方都保存着由中央统一翻造的黄钟律管，好随时对照。

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　　当发声体振动时，在空气中产生声波，如果空气振动的频率和另一个发声体的固有频率相同或接近，该发声体也会振动起来，发出声音，这种现象叫做声音的共鸣。

　　4.聚焦声音

　　在意大利的西西里岛上，有一个石窟，人们给它起了一个怪名字，叫做“杰尼西亚耳朵”。人们只要站在石窟入口处的某个地方，就能听到很远处窟底的声音，就连很微弱的声音，甚至人的呼吸声都能听到。在古代的传说中，暴君杰尼西尼就把囚犯都关在这里，犯人所说的话都可以窃听到，在当时的情况下，他们一直不明白是谁泄露了犯人之间的秘密，后来人们才发现这是声音聚焦的原因。

　　随着后来科学的发展，哪怕街上有两个人正在低声交谈，远处的人听不清楚他们在说什么，只要屋里的一个人打开一把大号阳伞，伞口对准窗户外面的说话人，在靠近伞柄的地方，谈话声就会变得清晰起来。这是美国某一个商店推出的一种新型的窃听设备。