书城科普透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第17章 声音(5)

噪音,就是杂乱无章、听了叫人不舒服的声音,比如机器的轰鸣声、飞机的尖叫声、汽车的喇叭声等等。在物理学里,噪音的强弱通常用分贝来表示。噪音共分7个等级,从零开始,每增加20分贝,就增加一个等级。当噪音在0~20分贝时,我们感觉很静;20~40分贝时,也是安静的;超过45分贝的声音就会干扰人睡眠;80分贝的噪音会使人感到吵闹、烦躁;超过90分贝,就会影响人的健康;100分贝的噪音会影响人的听力;120分贝的噪音可以使人暂时“耳聋”;在几米以内听到140分贝以上的噪音,人会变成聋子,甚至可能突然发生脑溢血,或者心脏停止跳动。有人做过调查研究,长期生活在60分贝的噪音中,会使人感到心慌和厌倦,人的工作效率降低。长期生活在85~90分贝噪音下的人会患噪音病,出现头昏脑胀、失眠多梦、全身乏力、食欲不好、记忆力减退等症状。下面的调查数据,令人信服地说明了噪音的危害:一个噪音为94~106分贝的车间,有4.5%的人耳聋,38%的人耳鸣,30%的人失眠,36%的人记忆力减退。所以说噪音也是一种污染。还有人把噪音比作杀人不见血的软刀子,这话绝不过分。由于工业生产的过于集中,交通拥挤,噪音源增多,噪音已经成了一种比较严重的公害。有的国家把噪音列为环境公害之首,想方设法加以消除。

为消除噪音,人们想了许多办法。

一种立即见效的方法是控制噪音源。比如,在城市闹区,禁止各种车辆鸣叫高音喇叭,利用减振消声的办法使各种噪音源发出的噪音减至最小。但无论对噪音源怎样控制,生产活动总要产生大量的噪音,这就得采用隔声方法了。现在各种高效能的隔音材料、设备正在研制中。有一种隔音夹层玻璃已被使用。通过这种玻璃,噪音可减少27分贝。安装上这样的玻璃,基本上可以避免室外噪音的干扰。在法国巴黎近郊有一条很热闹的街,汽车川流不息,昼夜不停,人们在街上相互交谈都很困难。后来,人们在车行道和人行道之间修建了350米长、4米高的玻璃墙,收到了较好的隔声效果。

现在科学家们正研究一种更有效的消声法,那就是“以毒攻毒”的方法,用声音消除噪音。假如能有一种声音,它与要消除的噪音在强度上、频率上完全一样,但在振动方向上是相反的,那么,在这两种声音同时作用之下的空气,所受到的拉力和压力相等,空气分子不发生振动,从而达到消除噪音的目的。从理论上说,这种方法简单,但实现起来却比较困难。不过相信有朝一日,用声音消灭噪音是会实现的。那时,我们会生活在一个十分安静的环境里。

水杯编钟

“编钟”是我国古代乐器中的一种,这种钟一套共有10几口,大小依次排列着,所以叫做“编钟”。

一套编钟为什么要有大小不同的钟呢?这正是为了要它们发出不同音调的声音来。我们知道物体在单位时间里振动的次数越多即频率越高,声音就越尖,或者说音调越高。而频率的高低,又决定于物体的质量、几何形状和大小。

大编钟频率低,发音洪亮而低沉;小编钟频率高发音清越而高亢。每口钟代表一个音调,这样就能奏出优美动听的曲子了。

我们可以根据这个道理,自己做一套“水杯编钟”。弄一套质料和大小相同的玻璃杯,在杯里深浅不同地盛上水,按水的多少顺次排列,一套“水杯编钟”就做成了。只要拿一只筷子,就可以随心所欲地敲出你喜爱的曲子来。

所有的乐器能奏出高低不同的音调来,都是因为振动频率不同决定的。如果你拨弄过乐器,你一定知道细弦发出的声音比粗弦高,紧弦发出的声音比松弦高,弦越短,振动频率越快,声音也就越高。很多乐器,如二胡、竖琴、小提琴就是利用各种不同的弦变化出各种声音来。

“超声”和“超音”

“声”和“音”难分难解,如果仔细琢磨一下,它们是“发生”和“接收”的关系:由一方发出了“声”,另一方感受到“音”的大小和高低。那么“超声”和“超音”是不是一回事呢?

“超声”和“超音”是截然不同的两回事,原因是它们省略了两个关键的字:“超声”应该说是“超声波”,而“超音”应该说是“超音速”。

超声波是指频率大于2万赫的声波,也就是超出人的耳朵所能感觉到的声音范围。例如,这种超声波在空气中传播速度为340米/秒,那么2万赫的超声波的波长可以求得:

λ=34020×103=1.7×10-2=1.7厘米

可见,超声波的波长比可听声的波长要短。它具有较强的穿透力,在日常生活中可以用来“超声清洗或消毒”,也可以用它的定向性制造“超声雷达”。

但是,“超音速”是指一个物体的运动速度超过声音在空气中的传播速度。在飞机设计中,飞机的速度就是用马赫数来表示的。马赫数M=1表示速度等于音速,M>1为超音速,M<1为亚音速。当一个超音速飞机飞过上空时,我们都有这样的经验:当听到飞机的声音传到耳朵时,抬头一看,飞机已经飞向前方老远了,这就是声音的传播速度滞后于飞机的速度的缘故。

天坛的声学奇迹

坐落于北京东南部的天坛,是明、清两代皇帝每年祭天和祈祷五谷丰收的地方。它严谨的建筑布局,奇特的建筑结构,瑰丽的建筑装饰,被认为是我国现存的一组最精致、最美丽的古建筑群,尤其以回音壁、三音石和圜丘三大声学奇迹驰名中外。

天坛第一声学奇迹是回音壁。回音壁是一个圆环形的围墙,高约3.72米,直径为61.5米。在回音壁内的圆形场地上,北侧有一座圆形的建筑物叫“皇穹宇”,东西两侧对称地盖着两座房屋。通常人们讲悄悄话,一般在6米外就听不见,而在回音壁边上讲,传播却要远得多。即使你和同伴分别在直线距离为45米的甲、乙两处轻声对话,彼此还听得清清楚楚,就像面对面说话一般。

这个奇迹是怎样形成的呢?原来语音的波长只有10~300厘米,比回音壁半径要小得多,因此在这种场合下可以认为声波是直线前进的。语言在甲、乙两处之间传播,一部分以束状沿围墙连续反射前进,全程有129米;一部分沿直线直接通过空气绕播,全程才45米。因为墙面相当坚硬光洁,对声音的吸收小,是声音的优良反射体,而且在回音壁的具体条件下,声波沿墙面连续反射都是全反射,没有穿入墙体内部发生折射的部分,所以声音在传播中衰减很小。两个人在甲、乙两处发出的轻声细语,通过墙面传播的声波,尽管走了129米,对方还能听清楚,就像打电话一样;而直接通过空气传播的细语声波却衰减很快,只走6米左右就消失了,根本传不到几十米外。这就是神秘的回音壁的声学原理。

天坛的第二声学奇迹是回音壁内的三音石。它安在从皇穹宇通往围墙门口的一条石路上,从皇穹宇台阶沿这条路数到第三块石头便是。在这里,你只要鼓一下掌,就可以听到五六次回声。因为三音石正好在回音壁内圆心上,鼓掌声沿着四面八方的直径在墙间来回反射,又因为围墙为圆形,每次声波从围墙反射回来在圆心会聚,便是一次回声。只是由于声波在来回反射的过程中逐步衰减,因此回声一次比一次微弱,五六次后,便微弱到听不出来了。

天坛的第三声学奇迹是圜丘。圜丘是由青石砌筑的高台。这里是真正的祭天的祭坛。古人流行着“天圆地方”的说法,所以圜丘被砌成圆形的,它外面的围墙是方形的。圜丘是三层的石台,每层都有台阶可以拾级而登,每层台的周围都安着石栏杆,最高层离地5米多,半径为15米。

人们站在圜丘的圆心石上讲话,声音听起来特别洪亮。这又是什么缘故呢?原来圜丘的台顶不是水平的,而是从中央往四周坡下去。人们站在台中央喊话,声波从栏杆上反射到台面,再从台面反射回耳边来,或者反过来,声波从台面反射到栏杆上,再从栏杆反射回来;又因为圜丘的半径较短,所以回声比原声延迟时间短,以致相混。据测验,从发音到声波再回到圆心的时间只有0.07秒。说话者无法分辨它的原音与回音,所以站在圆心石上听起来,声音格外响亮。但是站在圆心以外说话,或者站在圆心以外听起来,就没有这种感觉了。

可以说,天坛的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造。