物理爱好者

漫步云涧

共鸣不是妖，科学治僧病



茹自青



　　唐朝，在洛阳的一个寺院里有一个和尚，他得了一个磬（古代的一种打击乐器），如获至宝，保存在卧室里。不料这个磬常常不敲自鸣，尤其在半夜里发响，好像鬼使神差一样，实在吓人。和尚又害怕又着急，不久就病倒在床上。



　　和尚有个好友名叫曹绍夔，是当朝掌管皇家音乐事项的“太乐令”，听说老朋友病了，特地赶来问候。谈起病因时，和尚不好意思地说：“实不相瞒，事情是这样的……”正当和尚对曹绍夔一五一十地诉说时，前殿敲起了斋钟，接着磬也不敲自鸣起来。这时曹绍夔弄清了其中的奥妙，本当一语道破，但他素来喜欢开玩笑，于是便导演了一出滑稽剧。

　　他故作玄虚地对和尚说，自己有祖传法术，可以驱邪捉妖，但须和尚大摆宴席，广宴宾客，这样他的法术才能灵验。和尚听了虽然疑多信少，但是为了治病，还是一口答应下来。

　　第二天和尚按要求设了盛宴，招待宾客。酒足饭饱之后。曹绍夔装模作样地把“法宝”从怀里掏出来，用它在磬上这里锉锉，那里磨磨。宾客们怕妖，离得很远，根本看不清那个“法宝”是个什么玩意儿。当曹绍夔口称“善哉！善战！妖被赶跑了”以后，宾客们才围了上来，要求见识见识那件宝贝。这时人们才看清那“法宝”其实是一把普普通通的锉刀。

　　自从曹绍夔“除妖”之后，那果然不再自鸣了。和尚问其道理，曹绍夔解释说，声学中有一种特殊的现象，叫做共鸣，即如果甲物体发出的音调和乙物体能发出的音调相同，那么当甲物体振动发声传到乙物体时，乙物体就会不敲自鸣。因为你的磬能发出和前殿斋钟的音调相同的声音，所以前殿敲斋钟时，你的磬就会共鸣，即不敲自鸣。这是一种自然现象，那里有什么妖怪呢？和尚又问，现在磬怎么不再响了？曹绍夔说，我用锉在磬上锉了几处后，改变了磬本身能发出的音调，所以磬和斋钟就不发生“共鸣”了。

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分贝



茹自青



　　在报刊杂志或者广播电视中，经常遇到“分贝”这个词儿，什么是分贝呢？。

　　在不同的生活环境里，噪声的强弱是不同的。例如，在医院里，噪声弱些；在市场上，噪声强些；在织布车间里。噪声更强。为了表示声音的强弱程度，人们引入了“声强”的概念，并用1秒内垂直穿过单位面积的声能多少来量度它的大小，声强用字母“I”表示，它的单位是“瓦／米2”。根据规定可知，如果1秒内垂直穿过单位面积的声能加倍，那么声强的值也变为原来的2倍。所以说声强是不随人们感觉而转移的客观物理量。

　　虽然声强是个客观物理量，但是声强的大小和人们主观感到的声音强弱，却有非常大的差异。为了符合人们对声音强弱的主观感觉，物理学里又引入了“声强级”的概念，分贝就是声强级的一个单位，它是贝尔的十分之一。

　　声强级又是怎样规定的呢？它和声强有什么关系呢？

　　测量证明，人耳对不同频率的声波，敏感程度是不同的。对于3000赫兹的声波最敏感。只要这个频率的声强达到I0＝10－12瓦／米2，就能引起人耳的听觉。声强级就是以人耳能听到的这个最小声强I0为基准规定的，并把I0＝10－12瓦／米2的声强规定为零级声强，也就是说这时的声强级为零贝尔（也是零分贝）。当声强由I0加倍为2I0时，人耳感到的声音强弱并没有加倍。只有当声强达到10I0时，人耳感到的声音强弱才增大一倍，这个声强对应的声强级为1贝尔＝10分贝；当声强变为100I0时，人耳感到的声音强弱增大2倍，对应的声强级为2贝尔＝20分贝；当声强变为1000I0时，人耳感到的声音强弱增大3倍，对应的声强级为3贝尔＝30分贝，依此类推。人耳能承受的最大声强为1瓦／米2＝1012I0，它对应的声强级为12贝尔＝120分贝。在人们生活环境里，声强级的分贝数是多少，可以参看教科书上的声强级表。

　　噪声和废水、废气、废渣是污染环境的四大公害，各国对噪声的研究和控制都很重视。我国已经公布了环境噪声污染防治条例，以保障人们有良好的生活环境，保护人体健康。

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噪声的利用



茹自青



　　声名狼藉的噪声，一向为人们所深恶痛绝。但是，也许你不知道，随着现代科学技术的发展，人们已能利用噪声造福人类。

　　噪声除草　科学家发现，不同的植物对不同的噪声敏感程度不一样。根据这个道理，人们制造出噪声除草器。这种噪声除草器发出的噪声能使杂草的种子提前萌发，这样就可以在作物生长之前用药物除掉杂草，用“欲擒故纵”的妙策，保证作物的顺利生长。

　　噪声诊病　美妙、悦耳的音乐能治病，这已为大家所熟知。但噪声怎么能用于诊病呢？最近，科学家制成一种激光听力诊断装置，它由光源、噪声发生器和电脑测试器三部分组成。使用时，它先由微型噪声发生器产生微弱短促的噪声，振动耳膜，然后微型电脑就会根据回声，把耳膜功能的数据显示出来，供医生诊断。它测试迅速，不会损伤耳膜，没有痛感，特别适合儿童使用。

　　此外，还可以用噪声测温法来探测人体的病灶。最近科学家又提出一种声波清除法，利用噪声来消除噪声，……看来，掌握科学知识并善于利用它，可以为人类做许许多多有益的事。

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曲调和音程

茹自青

唱歌时，人们常常说这个歌曲是“C调”，那个歌曲是“D调”。但是你知道曲调是由什么决定的吗？原来。音调是曲声源的振动频率决定的。声源的振动频率越大，音调越高；振动频率越小，音调越低。不同曲调的第一个音“1（do）”，具有不同的频率。如C调的“1（do）”，振动频率为256赫，D调的“1（do）”，振动频率为288赫，其他各调的“1（do）”的频率见表一： 曲调名称 C D E F G A B “1”的频率 256 288 320 341（1/3） 384 426（2/3） 480 　　曲调中除了首音“1（do）”以外，依次序还有“2（re）”、“3（mi）”、“4（fa）”、“5（sol）”、“6（la）”、“7（si）”，一共七个音，这七个音叫一个音阶。它们虽然各有各的频率，但是在频率上却都跟首音“1”有着严格的比例关系。一个音和另一个音之间的这个比叫做“音程”。 　　每个曲调的首音“1”，都有确定的频率，根据首音的频率和各音对首音的音程，就可确定其他各音的频率。由上面两表还可以看出：C调“2”的频率等于D调“1”的频率；C调“3”的频率等于E调“1”的频率，以下可以依此类推。 　　我国是一个文明古国，在音乐理论方面也有悠久的历史。就以音程来说吧，西洋音阶中的七个音是公元前600年左右由希腊的比达哥拉斯提出的，我国的七音说，早在公元前12世纪的商周之际就有了。

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超声和次声对话



茹自青



次声：你是超声吧？

超声：是呀！我是超声。

次声：我叫次声，咱们是一家，都是声音家族的成员。

超声：咱们不仅是一个家族，而且我还是你大哥哩！

次声：请不要占我的便宜。你凭什么是我大哥呢？

超声：我的频率高于声波，所以叫超声。你的频率低于声波，所以叫次声。当然我是大哥，声波老二，你是小弟了。

次声：要说频率，我是最小。要说别的，我可能比你大，不信，咱们比比看，你敢吗？

超声：敢呀！由于咱俩都不能引起人们的听觉，所以人们对我俩还很生疏，通过比赛，也好让大家了解了解咱们各自的情况。

次声：我主要来自大自然，如地震、火山、台风、海啸、大气湍流等自然现象。总之，我的出生伟大。

超声：我既可以来自大自然的风声、水浪，又可以来自一些动物的发声器官，还可以来自各种人造超声源。一句话，我的来源广泛。

次声：我的波长最小也大于17米，你的波长最大也不过17毫米，我的波长远比你长。

超声：我的频率最小也超过20000赫，你的频率最大也不到20赫，我的频率比你高得多。

次声：由于我的波长很长，我可以走曲线，绕过高山。

超声：由于我的波长很短，我可以走直线。我还能穿透障碍。

次声：1883年我从印尼一个火山口出发，绕地球一直转了三圈多，历经108个小时。

超声：现在，我要是从超声波发生器发出来，可以穿过5米厚的钢块，只要千分之一秒的时间。

次声：我在空气里、液体里、固体里都能传播得很远。

超声：不论在固体里还是在液体里，我是探测它们内部情况的可靠的检查员。

次声：我可以引起人体内脏器官的共振，造成眩晕，甚至内脏出血，使人丧命。

超声：我可以为病人透视、按摩、治疗疾病，使人健康。

次声：噢！

超声：我还可以清洗、除尘，乳化、粉碎，割焊、钻孔、消毒、杀菌，促进化学反应，影响生物生存……

次声：（仍很自信地）虽然现在人们对我还不太了解，但是随着科学技术的发展，我一定会越来越多地造福于人类。

超声：你说得很对，我们的作用远非这些，正在期待着人们来认识、发现。

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编钟



黄惠芳



　　你见过编钟吗？欣赏过编钟的演奏吗？

　　编钟是我国古代的一种打击乐器，用青铜铸成，它由大小不同的扁圆钟按照音调高低的次序排列起来，悬挂在一个巨大的钟架上，用丁字形的木锤和长形的棒分别敲打铜钟，能发出不同的乐音，因为每个钟的音调不同，按音谱敲打，可以演奏出美妙的乐曲。

　　根据文献记载和出土文物，发现我国在西周时期就有了编钟，那时候的编钟一般是由大小3枚组合起来的。春秋末期到战国时期的编钟数目就逐渐增多了，有9枚一组的和13枚一组的，等等……1978年，湖北随县一座战国时代（约公元前433年）的曾侯乙墓出土的编钟，是至今为止所发现的成套编钟中最引人注目前一套，这套编钟之大，足以占满一个现代音乐厅的整个舞台。它由19个钮钟、45个甬钟，外加楚惠王送的一件大傅钟共65件组成。这些钟分3层8组挂在钟架上，直挂在上层的3组叫钮钟，斜悬在中下层的5组叫甬钟，其中最小的一个钮钟高20．4厘米、质量为2．4千克，在演奏中能起定调作用，最大的一个低音甬钟高达153．4厘米、质量为203．6千克，全套编钟总质量在2500千克以上。钟架是铜木结构的，它的外形呈直角曲尺形（如┏），全长10米以上，上下3层，高273米，由6个佩剑的青铜武士和几根圆柱承托。整套编钟和梁架气势宏大、壮观无比。演奏时乐队由几个人组成，用6只丁字形木锤敲高、中音，用两根长形棒撞低音。经声学专家研究，编钟中的每只钟都可以发出两个不同的乐音，只要准确地敲击钟上标音的位置，它就能发出合乎一定频率的乐音，整套编钟能奏出现代钢琴上的所有黑白键的音响。这套编钟的定音频率为256．4赫，与现在钢琴上的中央“C”频率几乎完全相等。出土后经过试验性演奏，表明它们虽然在地下埋藏了2000多年，但音乐性能仍然很好，它的发音准确，音色优美，音域可跨五个八度之多，变化音比较完备，因此，古典的和现代的乐曲都能演奏，用来伴唱效果也很好。

　　曾侯乙编钟用料是铜、锡、铝合金，全套编钟上装饰有人、兽、龙等花纹，铸制精美，花纹细致清晰，并刻有错金铭文，用以标明各钟的发音音调，它是公元前433年的实物。可见，远在2400多年以前。我国的音乐文化和铸造技术已经发展到相当高的水平，它比欧洲十二平均律的键盘乐器的出现要早将近2000年。

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火车长鸣与炮弹啸叫



茹自青



　　小明在乘火车旅行的途中，发现当两列火车错车时，对面火车的鸣笛声发生了明显的变化，即当两列车由接近到远离时，笛声光升高后变低。小明感到奇怪，开始还以为这是自己的错觉，经过多次观察后，证明的确是事实。小明想不通，就去问老师。

　　老师听了后，非常高兴，并赞扬地说：小明呀！你也发现了这个物理规律。历史上第一个发现这一规律的人叫多普勒，所以把这个规律叫做“多普勒效应”。多普勒效应的内容是：“当声源向着观察者运动时，观察者接收到的频率比声源的频率增大，即音调增高；当声源远离观察者而去时，观察者接收到的频率比声源的频率减小，即音调降低”。

　　小明问，这是为什么呢？

　　老师说，人耳听到的音调高低是由耳膜的振动频率决定的。耳膜的振动又是由于空气的疏密变化引起的。空气的疏密变化又是由声源引起的，并以一定的速度由空气传播出去，这就形成了声波。当观察者和声源相对静止时，耳膜的振动频率等于由声波送到人耳的声源的振动频率。所以音调没有变化。当声源和观察者相互接近时，耳膜接收到的频率高于声源的频率，所以音调增高；当观察者和声源相互远离时，耳膜接收到的频率减低，所以听到的声调就降低了。

　　小明又问，在看战斗故事片时，有时听到炮声啸叫，战士们若无其事；有时听到炮弹啸叫，战士们刚一卧倒，炮弹就在附近爆炸了，这里是否和多普勒效应有关呢？

　　老师说，你说的对，有经验的战士正是根据飞行炮弹啸叫音调的变化和声音强弱的变化，来判断炮弹飞行的方向和远近的