奇妙的声音

教师简介

曹燕南

苏州市吴江区八坼小学科学教师，吴江区优秀教育工作者、模范教师，江苏省优秀科技辅导员。曾获苏州市评优课二等奖、“一师一优课”苏州市优课、吴江区基本功竞赛一等奖、吴江区AA级优质课、A级优质课。

要问声音是怎样产生的，见多识广的同学们一定能说出来：“声音是振动产生的。”比如，我们轻轻弹拔皮筋、击鼓时，就能听到因物体振动而产生的声音。而我们能发出声音，也是因为喉咙里有一个发声器官——声带。声带就像一根橡皮带，当我们发声时，声带变紧，并快速振动，产生声音。声带越紧，发出的声音越高。同学们可以将手轻轻地放在喉结处并发声，就能感觉到声带的振动了。

声音的传播

在物理学上，声音被定义为以声波的形式通过诸如气体、液体或固体之类的传输介质传播形成的振动。声音的产生需要声源，例如扬声器的振动膜片。声源在周围介质中产生振动，振动会以声速从声源处传播开，从而形成声波。声波作为机械波，可以通过诸如空气、水和固体之类的介质，以纵波形式传播，在固体中也可以以横波的形式传播。声波的传播，实质上是能量在介质中的传递。

听不到的声音

声波可以被分解成不同频率的正弦波，所以可以用振幅、频率、速度等物理参数一一来描述。科学家将每秒钟振动的次数，称为声音的频率。声音的频率通常以赫兹（ Hz）表示。要知道，人们普通谈话的声波频率在200～800Hz之间，我们的耳朵能听到的声波频率为20～20 000Hz。频率低于20Hz的声波，称为次声波或超低声;频率为20～20 000Hz的声波，称为可闻声;频率为20000 Hz～1MHz的声波，称为超声波;频率大于1MHz的声波，称为特超声或微波超声。

由于次声波的频率很低，大气对其吸收甚小，因此它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远，能传到几千米至十几万千米以外。次声波能绕开某些大型障碍物发生衍射，有些次声波甚至能绕地球2～3周。1883年8月，南苏门答腊岛和爪哇岛之间的克拉卡托火山爆发，产生的次声波绕地球3圈，全长10多万千米，历时108小时。除了传播距离远，次声波还具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下。

虽然我们听不到次声波，但可千万别小看了次声波。要知道，地震或核爆炸所产生的次声波可将房屋摧毁。而某些频率的次声波由于和人体器官的振动频率相近甚至相同，能放出相当大的能量，对人体有很强的伤害性，危险时可致人死亡。如4～8Hz的次声波能在人的胸腔和腹腔里产生共振，可使心脏出现强烈共振、肺壁受损。

除了次声波，我们听不到的声音还有超声波。超声波的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。例如，在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使水罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。利用超声波巨大的能量，还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。除此以外，超声波还能对物品进行杀菌、消毒。

声音的威力

你有没有想过，将纸卷成筒状放到耳朵上可以听到声音是怎么回事？简单来说，纸筒放在耳朵上听到声音，是纸筒内的空气柱从环境噪声中“选出”了与空气柱共振的声波并放大的结果。实际上，纸筒内的空气柱会与频率等于空气柱固有频率的声波发生共振，将这一频率的声波放大。而空气中噪声的频率组成是杂乱无章的，其中总会存在这一频率的声波。如果我们在完全安静的地方做这个实验，由于没有了噪声这一驱动，我们将什么也听不到。空气柱的共振频率也会随着空气柱的形状改变而改变，比如短纸筒“发出”的声音频率会高一些，而长纸筒“发出”的声音频率会低一些。在物理学中，这种空气发生共振的现象被称为亥姆霍兹共振。打开高速行驶汽车的窗户会听到“呼呼”的风声，也是亥姆霍兹共振的一种体现。

声音甚至能震碎玻璃杯，你相信吗？其实，这也与共振有关。当我们给物体施加一个周期性的外界激励时，如果外界驱动的频率和物体的无阻尼固有频率相同，物体振动的增幅最大。这时，我们称物体发生共振时的外界激励的频率为共振频率。最著名的例子非塔科马大桥的坍塌事故莫属。塔科马大桥位于美国的华盛顿州，在第一座塔科马大桥建成通车4个月后，一股速度为19米/秒、相当于8级的风把它吹塌了。而这个事故之所以会发生，就是因为当风吹动桥梁时，在桥梁后面形成“卡门涡街”，“卡门涡街”以一定的频率拍动桥梁，当拍动的频率与桥梁本身固有频率相同时，发生了共振现象，使桥坍塌。共振现象能让一座大桥都坍塌，震碎一个小小玻璃杯显然不在話下。

（责任编辑：陆艳）