声音的力量2011-08-10

有个简单有趣的小实验，谁都可以做。找根铁丝或绳子，两端固定呈水平状，或者就找两个人各拽一端拉直，保持不动；用几根细线绳系上重物，按一定间隔挂在铁丝上（重物不必太重，也不必一样重），要求其中两根细线绳的长度相同，其他可以长短各异。这就相当于一串单摆，我们知道单摆都有固定的摆动周期（只与摆长有关）。当我们让两个相同摆长中的一个摆动起来，会发生什么现象呢？我们会看到另一个相同长度的单摆逐渐加大摆幅，而其他的单摆只有微小的摆动，或基本不动，这就是我们说的共振。两个摆长相同的单摆有着相同的固有频率，一个单摆的摆动（或称振动）通过铁丝会把振动传递给其他的单摆，但只有固有频率相同的摆会有“感应”而跟随摆动。别看这小小的单摆实验，这里蕴含着大学问。

一般物体都有固有频率，受到外力（扰动）就会振动起来，振动就会发出特定的声音，因为声音就是振动（声源）在介质中的传播（声波）。最简单的验证比如敲击物体都会发出声音，我们敲击一下桌子会发出声音，敲击墙壁会发出声音，敲击杯子也会发出声音，敲击琴键就更说明问题了，这些声音都是不同的，但都与它们各自的固有频率有关，说明它们的固有频率不同。声音是一种振动，而敲击的动作就是让它们振动起来，从而发出声音。敲击只是提供一个外力，就像拉动一下单摆一样，究竟如何振动是物体本身的性质决定的，一般涉及到材料、质量、密度、结构甚至温度等等若干因素（单摆是比较简单的）。当然，物体的固有频率不止一个，最低的频率是所谓的基频，决定基本声调，其他频率可以称作“泛频”，在乐器上体现为音色。

说起声音，这里有两个问题必须要清楚，这就是声源和传声介质。正常人都可以听到许多种声音，有声音就必须有声源。声源与发声系统的固有频率有关，发声系统受扰动会产生特定的振动，从而发出特定的声音。我们要听到声音，必须还有传播声音的介质，比如空气。声音是物体的一种振动，振动会在介质中传播，这就形成了声波，就像水面扔下一个石子，水波会向四周传播一样。若是把振动物体用真空隔绝起来，不接触任何介质，就听不到声音了，因为振动无法传播了。发声与系统固有频率有关，声音传播就与固有频率没有什么关系了。比如在空气中，几乎各种声波都可以在其中传播，有我们听得到的（20～20000赫兹），有我们听不到的，如次声波和超声波。

声波是在介质中传播的机械波，具体地说，就是振源（声源）的振动，依次带动周围的介质振动，形成了波，带着振源的能量向周边传播，就像抖动一条绳子。像绳子这样振动方向与传播方向垂直的称为横波，一般只发生在固体中；振动方向与传播方向一致的称为纵波，一般介质中都可以有纵波，但像空气这样的流体中只有纵波，其实我们听到的声音主要是从空气传到耳朵的（实际上，我们耳朵是在空气中进化出来的，所以只对纵波敏感）。从原理上看，只要某点受到外来作用力使其偏离平衡位置，这一点物质的运动状态就会发生改变，然后又在原有力（恢复力）的作用下恢复到平衡位置，并因此往复运动，就产生振动（在一般介质中的机械振动是电磁力作用的结果，一般表现为弹性）；这一点的振动必然要扰动相邻的点，带动相邻的点振动，这样，振动就传播出去。在同一种介质中，不论什么样的声波，传播速度是相同的，这还容易理解；有点奇怪的是，无论多少种频率不同的声波在同一介质中同时传播，相互之间竟互不干扰，就像两束光无论怎么交叉都不“打架”一样。这是波动的重要性质之一，不是这样的话，在嘈杂的波动的海洋中你也许就听不到各种不同的声音了，特别是你想听到的那个声音。

当然，波动还有许多其他有意思的性质，这里我们还是通过开头的实验来看一下声音（机械振动）的共振。两个摆长相同的单摆因固有频率相同，一个单摆的摆动会通过铁丝或绳子传递到另一个单摆，同样地，一个特定频率的机械振动（或者说声音）会通过介质传播到具有相同固有频率的物体（或系统），使这个物体“显著地”振动起来，振幅达到最大，这就产生了共振。就像荡秋千一样，周期性地施加一个作用力，就可使秋千荡到最高。可以想象，如果声源是不间断的，对系统持续性地施加一个增强振动的力，又不能被系统“消耗掉”（通过系统的阻尼会消耗能量），系统的结构就会被逐渐增强的振动破坏掉。这就可以理解，女高音的尖叫声振碎玻璃杯也许不是传说，有些玻璃杯可能阻尼较小。

在索尼探梦科学馆有一个“共振环”展台。在装有喇叭的平台上依次固定6个大小不同的金属环，它们的固有频率各不相同，从大到小依次增加。当通过喇叭发出声音时，随着逐渐增加声音的频率，会看到首先是大环开始剧烈振动，接着依次抖动起来，这就是共振现象；随着声频再增加，又从大环开始依此抖动起来，由此可以清楚看到多个固有频率。而且还可以看到振动表现出来的是驻波的形式，同乐器发声的形式是一样的。但由于敲击发声往往是多个固有频率综合的结果，一般与“被共振”发出的声音有所差别。有机会不妨去实际体验一下哦。

索尼探梦——共振环

单摆