海螺里的声音2011-08-10

人们都知道，把耳朵靠近海螺可以听到声音，由此还编出许多美丽的童话。实际上，海螺是一个共振腔，它会把周围的某些声音，包括风发出的沙沙声、海浪声，甚至某些动物或人的叫声进行放大，听起来好像是海螺中发出的声音，感觉很神奇。你如果认真去辨别的话，你还会发现，不同大小的海螺会发出不同的声音，因为它们的共振频率不同。其实只要有腔体的物体比如纸筒、管子、瓶瓶罐罐等都有这种现象，只不过不那么浪漫罢了。

海螺等腔体为什么会放大声音呢？以前我们曾介绍过，我们听到的声音实际就是空气的振动，这种从振源发出的振动会向四面八方传播，传到耳朵我们就听到了声音。声音传播到一些腔体，比如管子之类的物体，特定的声音会被增强。这是因为腔体中的空气被带着振动起来，但是只有与腔体共振频率相同的振动才会达到最大，也就是产生共振。所以在海螺中听到的声音只是一种单一的声音，不会听到周围所有的声音。

我们日常所见的各种各样的发声体，不外乎都是设法让空气振动起来，有些声音耳朵听起来比较动听，那就是乐音。乐器就是可以发出一些特定频率声音的器物，按一定的规则搭配，可以组成美妙的乐曲。管乐器是典型的利用腔体的共振发声的，我们来看看它的发声原理是什么，也可以试着自己做一个简单的乐器。一般管乐器都有一根或一组管子，外加一个簧片或哨子，簧片或哨子经速度足够快的气流吹动，产生湍流，引起空气振动，管子的作用“挑选”合适频率的振动放大，形成特定的声音。实际上，管子中空气柱以固有频率产生共振，形成驻波，把声音放大传播出去，管子实际不是直接声源，只是个“二传手”。如果管子两端开口，管内的驻波为1/2波长，中间是波节，两端是波腹；如果管子一端封闭，形成的驻波为1/4波长，闭端为波节，开端为波腹。这也很好理解，封闭端自然动不得，为波节；开口端气体运动最顺畅，自然是波腹了；两端皆开，声音从两端入，中间为波节。当然，这样的声音是所谓的基音，其中还可形成一系列多倍频率的泛音。

这样的话，管乐器的发声频率只与管长有关。我们知道波长λ=v/f，其中v是波速，2 0℃时声音在空气中的速度是每秒343米；f是频率。若是闭端的管子，管长L=1/4波长，其固有频率f=v/4L，或者L=v/4f。

照此我们可以动手来做一个简单的管乐器，我们知道，音乐基本的7个频率依次为：Do（264赫兹）、Re（297赫兹）、Mi（330赫兹）、Fa（352赫兹）、Sol（396赫兹）、La（440赫兹）、Si（495赫兹）。如果你想要制作一件“高档次”的乐器，可以试试用有机玻璃管，省事的话干脆就用纸来做。管的直径大小关系不是很大，7根管的长度为：Do（32.5厘米）、Re（29厘米）、Mi（26厘米）、Fa（24.4厘米）、Sol（21.7厘米）、La（19.5厘米）、Si（17.3厘米）。我们把这些管底端封闭，按长短顺序并排粘到一个水平底座。

现在让我们来试一下效果如何。首先在管口的上方吹气，其实这就相当于一只排笛。气流使管中的空气振动，不过只有与空气柱的固有频率相一致的振动才能保持较长时间，甚至声音会变大，能够听得很清晰。也可以把耳朵贴近开口，听一听在房间里的背景声音中，每一根管里放大的分别是什么声音，看看跟你设计的乐音是否一致。你会发现两种情况下音阶都是一样的。

我们还可以用两根管子套起来，可以拉伸套管改变管子的长度，使其发出不同的声音，长号就是根据这个原理制成的，不妨我们自己也学着做一个。

在索尼探梦科技馆就有这样一件展品，名字叫“牧羊神之笛”，它是由一排长短差异的玻璃管组成，玻璃管两端开口。要想发出与你设计的“乐器”同样的音阶，管子长度就要多出一倍。这件展品旁备有一胶皮垫，用它敲击玻璃管底部可以发出声音，我们会听到每一根玻璃管都会发出一种特定的声音。不同长度的管子会发出不同的声音，说明不同长度的管子对声音是有影响的，仔细听我们会发现：较短的管子发出的音调较高，较长的管子发出的音调较低。不用敲击，把耳朵贴近管口，也可以听到特定的声音，因为环境中有各种声音，它会把特定的声音“挑选”出来。

管风琴

索尼探梦——牧羊神之笛

空气发声的根本原因