声现象及其应用

关于声现象我们接触得很多但却了解得很少，我们的祖先在建筑和科研中都广泛应用了声学技术，如天坛的回音壁、三音石等，都是声学知识应用的杰出典范。现代的建筑如礼堂、音乐厅的设计中，也都要考虑到声学效果，海军用声学技术——声纳来测量海深，探测敌舰等等。而人们赖以欣赏音乐的乐器、音响设备，更是集中体现了人类对声现象的研究成果和与电子技术的巧妙结合。

1．什么是声音

人耳能感觉到的声振动叫做声音。声音是由物体振动发生的。声音的传播需要介质。真空中不能传声。声音的高低叫做音调。它是由声源振动的频率决定的。由此可知，人耳能否听到声音是由四个因素决定的：(1)要有声源振动。(2)要有传声的介质，固体、液体、气体都能传声。住楼房的同学有这样的体验，一楼居民在室内说话，五层的住户是不易听到的，但一楼的人轻轻敲击暖气管道，声音就沿铁管传播出去，各层的住户都听得很真切。工厂中，车间会很嘈杂，师傅要想听到机器发生微小故障时发出的异常声音是很困难的，他往往用一根改锥，一头拄在机器壳上，另一端贴紧自己的耳朵，就能听清机器内部的响动。(3)声音的传播有一定距离，距离声源太远，就无法听到了。在安静平坦的草原上，人们可以轻易听到10公里以外拖拉机发动机的声音，但在城市里，相距几百米就听不见了。一方面是地面建筑物把声音散射了，另一方面环境噪音太强。(4)人耳听到声音的频率为20赫兹至20000赫兹，超出这个频率范围就听不到了。

2．超声波和次声波

频率低于20赫兹的声波，叫做次声波，人耳无法感受，但鲸鱼、海豚之类的海生动物可以感受到，大洋彼岸的风暴、地震和海啸引起的次声波，数千公里外鲸鱼能感知，并作出反应。频率超过20000赫兹的波叫超声波，超声波人耳感受不到，但蚊子、蝙蝠、猫、狗和家畜能听到。西方人用一种叫做犬笛的口哨来呼唤爱犬。犬笛吹出的是超声波，周围的行人茫然无所知，而小狗已经按照犬笛中传出的口令行动了。

声音的反射和障碍物的线度（长短粗细）有关，频率越低的声音，波长越长，需要的发生反射的障碍物线度就越大。一堵大墙可以反射我们的喊声，但一根电线杆子就不能反射我们发出的声音。蝙蝠发出一阵阵的超声波，波长极短，即使一根铁丝，一只蚊虫也能形成反射，这使蝙蝠能进行定位，躲开铁丝，捕捉蚊虫。

3．频响范围

人听觉的声音频率范围是20～20000赫兹，这使人能欣赏各种乐器发出的优美声音。但人的声带发声范围却很窄，男低音不低于100赫兹，女高音不高于1100赫兹。音响设备通常只能放大80赫到10000赫兹的声音。好的音响声设备的频响范围可以达到40～16000赫兹。录音机、扩音机必须能够把一个东西中各种频率的声音均衡放大，否则，听起来就跟原来的声音不一样了，比如，低音部分被减弱了，而高音部分得到了很大的增强，人听着乐曲声音就不丰满了或者跟原来不一样了，这就是失真。

4．共鸣

乐器或喇叭发出的声音要经过音箱的作用，才能得到增强，这是音箱的共鸣作用。比如二胡是由蒙着蛇皮的“木筒”构成共鸣箱的，小提琴音箱的形状和材质决定了小提琴演奏声音的音色丰富悦耳。一般来说，发生共鸣的声音频率和共鸣箱的大小有关系。共鸣箱越大，共鸣的低音越丰富，而共鸣箱越小，声音就越尖，越干巴。小半导体收音机的音色不优美，关键在于共鸣箱太小。

5．声音的反射

回声是由于声音反射形成的。人听到回声的条件是发声与回声间隔0.1秒，这样人耳才能区别出来。也就是声源与反射面必须相距17米以上。

反射可以多次发生，这就是天坛三音石的建筑原理。在礼堂时，反射的声音，特别是多次反射的回荡声音会使声音混浊不清。为了克服反射的影响，建筑师们用吸音材料来装饰墙表面或者把墙表面做得凹凸不平。

反之，为了使观众能更好地欣赏音乐，在音乐厅舞台的上空5米左右高处装设了许多反射板，乐队演奏的声音就能更好反射到观众席上。

6．声纳的应用价值

现代科学技术的发展使人们掌握了许多尖端、先进的探测技术。如雷达，可以发现数百公里外的敌机；红外线望远镜可以在夜幕中发现隐蔽的敌人；卫星遥感技术可以在数小时内把地球表面整个地扫描一遍；射电天文望远镜可以观察到遥远的宇宙空间。但是为什么在水中却不采用这些先进技术而仍用落后的声纳呢？

原来，海水能吸引电磁波，雷达用不上了。海水吸热能力太强，红外线技术无用武之地；水的透光能力差，而吸收光的能力却很浓，光学观察设备如望远镜也使不上了。特别是深海中一片漆黑，什么也看不见。探照灯又会暴露自己。

而海水的传声能力却比在空气中强得多。声纳技术就应运而生了。声纳机发出一束束不同频率的声音信号，再用特殊设备接受反射信号加以分析，这样就如同安上了蝙蝠的耳朵，周围的情况也就一“目”了然了。

超声雷达还可以探测云层。地面设备向云层发射一束束超声波，根据反射时间可以计算出云层高度。再分析回声的频率变化，根据多普勒效应的原理，可以测出云层在空中漂移的速度。因此，声纳技术在它的特殊领域仍占着不可取代的地位。