奇妙的聲音

教師簡介

曹燕南

蘇州市吳江區(qū)八坼小學(xué)科學(xué)教師，吳江區(qū)優(yōu)秀教育工作者、模范教師，江蘇省優(yōu)秀科技輔導(dǎo)員。曾獲蘇州市評優(yōu)課二等獎(jiǎng)、“一師一優(yōu)課”蘇州市優(yōu)課、吳江區(qū)基本功競賽一等獎(jiǎng)、吳江區(qū)AA級優(yōu)質(zhì)課、A級優(yōu)質(zhì)課。

要問聲音是怎樣產(chǎn)生的，見多識廣的同學(xué)們一定能說出來：“聲音是振動(dòng)產(chǎn)生的?！北热?，我們輕輕彈拔皮筋、擊鼓時(shí)，就能聽到因物體振動(dòng)而產(chǎn)生的聲音。而我們能發(fā)出聲音，也是因?yàn)楹韲道镉幸粋€(gè)發(fā)聲器官——聲帶。聲帶就像一根橡皮帶，當(dāng)我們發(fā)聲時(shí)，聲帶變緊，并快速振動(dòng)，產(chǎn)生聲音。聲帶越緊，發(fā)出的聲音越高。同學(xué)們可以將手輕輕地放在喉結(jié)處并發(fā)聲，就能感覺到聲帶的振動(dòng)了。

聲音的傳播

在物理學(xué)上，聲音被定義為以聲波的形式通過諸如氣體、液體或固體之類的傳輸介質(zhì)傳播形成的振動(dòng)。聲音的產(chǎn)生需要聲源，例如揚(yáng)聲器的振動(dòng)膜片。聲源在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)會以聲速從聲源處傳播開，從而形成聲波。聲波作為機(jī)械波，可以通過諸如空氣、水和固體之類的介質(zhì)，以縱波形式傳播，在固體中也可以以橫波的形式傳播。聲波的傳播，實(shí)質(zhì)上是能量在介質(zhì)中的傳遞。

聽不到的聲音

聲波可以被分解成不同頻率的正弦波，所以可以用振幅、頻率、速度等物理參數(shù)一一來描述?？茖W(xué)家將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)，稱為聲音的頻率。聲音的頻率通常以赫茲（ Hz）表示。要知道，人們普通談話的聲波頻率在200～800Hz之間，我們的耳朵能聽到的聲波頻率為20～20 000Hz。頻率低于20Hz的聲波，稱為次聲波或超低聲;頻率為20～20 000Hz的聲波，稱為可聞聲;頻率為20000 Hz～1MHz的聲波，稱為超聲波;頻率大于1MHz的聲波，稱為特超聲或微波超聲。

由于次聲波的頻率很低，大氣對其吸收甚小，因此它比一般的聲波、光波和無線電波都要傳得遠(yuǎn)，能傳到幾千米至十幾萬千米以外。次聲波能繞開某些大型障礙物發(fā)生衍射，有些次聲波甚至能繞地球2～3周。1883年8月，南蘇門答臘島和爪哇島之間的克拉卡托火山爆發(fā)，產(chǎn)生的次聲波繞地球3圈，全長10多萬千米，歷時(shí)108小時(shí)。除了傳播距離遠(yuǎn)，次聲波還具有極強(qiáng)的穿透力，不僅可以穿透大氣、海水、土壤，而且還能穿透堅(jiān)固的鋼筋水泥構(gòu)成的建筑物，甚至連坦克、軍艦、潛艇和飛機(jī)都不在話下。

雖然我們聽不到次聲波，但可千萬別小看了次聲波。要知道，地震或核爆炸所產(chǎn)生的次聲波可將房屋摧毀。而某些頻率的次聲波由于和人體器官的振動(dòng)頻率相近甚至相同，能放出相當(dāng)大的能量，對人體有很強(qiáng)的傷害性，危險(xiǎn)時(shí)可致人死亡。如4～8Hz的次聲波能在人的胸腔和腹腔里產(chǎn)生共振，可使心臟出現(xiàn)強(qiáng)烈共振、肺壁受損。

除了次聲波，我們聽不到的聲音還有超聲波。超聲波的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。

理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。例如，在中國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會使水罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣濕度，這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病，很難利用血流使藥物到達(dá)患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量，還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)到治愈的目的。除此以外，超聲波還能對物品進(jìn)行殺菌、消毒。

聲音的威力

你有沒有想過，將紙卷成筒狀放到耳朵上可以聽到聲音是怎么回事？簡單來說，紙筒放在耳朵上聽到聲音，是紙筒內(nèi)的空氣柱從環(huán)境噪聲中“選出”了與空氣柱共振的聲波并放大的結(jié)果。實(shí)際上，紙筒內(nèi)的空氣柱會與頻率等于空氣柱固有頻率的聲波發(fā)生共振，將這一頻率的聲波放大。而空氣中噪聲的頻率組成是雜亂無章的，其中總會存在這一頻率的聲波。如果我們在完全安靜的地方做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，由于沒有了噪聲這一驅(qū)動(dòng)，我們將什么也聽不到?？諝庵墓舱耦l率也會隨著空氣柱的形狀改變而改變，比如短紙筒“發(fā)出”的聲音頻率會高一些，而長紙筒“發(fā)出”的聲音頻率會低一些。在物理學(xué)中，這種空氣發(fā)生共振的現(xiàn)象被稱為亥姆霍茲共振。打開高速行駛汽車的窗戶會聽到“呼呼”的風(fēng)聲，也是亥姆霍茲共振的一種體現(xiàn)。

聲音甚至能震碎玻璃杯，你相信嗎？其實(shí)，這也與共振有關(guān)。當(dāng)我們給物體施加一個(gè)周期性的外界激勵(lì)時(shí)，如果外界驅(qū)動(dòng)的頻率和物體的無阻尼固有頻率相同，物體振動(dòng)的增幅最大。這時(shí)，我們稱物體發(fā)生共振時(shí)的外界激勵(lì)的頻率為共振頻率。最著名的例子非塔科馬大橋的坍塌事故莫屬。塔科馬大橋位于美國的華盛頓州，在第一座塔科馬大橋建成通車4個(gè)月后，一股速度為19米/秒、相當(dāng)于8級的風(fēng)把它吹塌了。而這個(gè)事故之所以會發(fā)生，就是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)吹動(dòng)橋梁時(shí)，在橋梁后面形成“卡門渦街”，“卡門渦街”以一定的頻率拍動(dòng)橋梁，當(dāng)拍動(dòng)的頻率與橋梁本身固有頻率相同時(shí)，發(fā)生了共振現(xiàn)象，使橋坍塌。共振現(xiàn)象能讓一座大橋都坍塌，震碎一個(gè)小小玻璃杯顯然不在話下。

（責(zé)任編輯：陸艷）