物理爱好者

漫步云涧

声音的镜子

树林，高院墙，大建筑物，高山，总之，一切反射回声的障碍物，都可以说是声音的镜子；这些东西反射声音的情形，跟平面镜反射光线的情形相同。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　这种声音的镜子不但有平面的，还有曲面的。凹面的声音的镜子作用跟反射镜一样，会把“声线”聚集在它的焦点上。 　　你只要找两只盘子来，就可以做一个有趣的实验。请把一只盘子放在桌子上，把你的怀表用手拿在离这只假如表、耳朵和盘子的位置都选得正确（在几次试验以后就会成功），你会听到表的滴答声仿佛是从头旁边的盘子上发出的一样。假如你把眼睛闭起来，这个错觉就会更加厉害，那时候，你就真的不可能单凭听觉来判断表究竟拿在哪一只手里──拿在左手还是右手里。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　中世纪城堡的建筑师时常造出一些声音上的怪事，他们把半身人像安放在声音的凹面镜的焦点上，或者放在巧妙地隐藏在墙壁里的传声管的一端。图143是从16世纪一本古书上复制出来的，那儿可以看到上面所说的那些异想天开的装置：拱形的天花板把经过传声管从外面送进来的声音送到石膏像的嘴上；暗装在建筑物里的很大传声筒把院子里的各种声音送到大厅里的半身人像旁边，等等。走进这种房间里的客人，会觉得云母石的半身像好像会说话、唱歌一般。盘底几厘米高的地方，拿另外一只盘子侧放在头旁边耳朵附近，像图142。

漫步云涧

剧院大厅里的声音







　　时常到各种剧院和音乐厅去的人，一定都清楚地知道：有些大厅里，演员的言语和音乐的声音可以在很远的地方听得明了清楚，但是在有一些大厅里，虽然坐在前排，也听得不大清楚。这种现象的原因，在一部谈声波和它的应用的书里有很好的说明：
　　在建筑物里发生的随便什么声音，会在声源发声完毕以后继续传一个相当长的时间；它在多次反射作用下，绕着整个建筑物传了好几次──但是在这同时，别的声音又接着发了出来，使听的人时常不可能把各个声音一个一个辨别清楚。例如，假定一个声音要继续存在3秒钟，又假定讲话的人每秒发出3个音节，那么，那相当于9个音节的声波就会一起在房间里行进，因而产生了一团糟的噪音，使得听众没法听懂讲话人要讲的意思。

　　在这种情形，讲话的人只好一个字一个字分得非常清楚地讲下去，而且不要用太大的声音。但是一般的情形恰恰相反，讲话的人在这种情形下往往更提高了声音，这样使噪音更加增强了。

　　还在不久以前，能够建筑出合于声学要求的剧院，认为是侥幸的事情的。现在呢，人们已经找到方法去消灭这种扰乱声音的现象（这现象叫做交混回响）。这本书不打算详细谈这个问题，因为这只有建筑师才感兴趣。我们只指出一点，就是，消灭交混回响现象的方法，主要是建造能够吸收剩余声音的墙壁。吸收声音最好的是打开的窗子（就像孔吸收光最好一样）；人们甚至把1平方米的打开的窗子采用来做吸收声音的计量单位。坐在剧院里的观众也很能够吸收声音，虽然他们的吸收能力要比打开的窗子小一半：一个人吸收的声音相当于0．5米打开的窗子。一位物理学家说过，“观众吸收讲演人的讲演词，所谓‘吸收′可以照这个词的表面意义解释”，如果他这句话说得不错，那么，空虚的大厅对讲演的人是不利的，这句话也就可以照它的表面意义来解释。

　　反过来说，假如声音的吸收太强了，这也会使声音听不清楚的。第一，过度的吸收会把声音减弱，第二，会把交混回响的作用减少得太多，使得声音听起来仿佛断断续续，给人一种枯燥的感觉。因此，我们固然应该避免过度的交混回响，但是太短的交混回响也不好。那么交混回响究竟要有怎样的程度才合适，这对于各种大厅是不一样的，应该在设计每座大厅的时候来决定。

　　剧院里还有一个东西，从物理观点上看是很有趣的，这东西就是在台前提词用的台词厢。你可曾注意到所有剧院的台词厢都是同一形状的吗？这原因是，台词厢的本身等于一种声学仪器。台词厢的拱壁等于一个声音的凹面镜，它起着两种作用：阻止提词的人发出的声波传播到观众方向去，并把这些声波反射到舞台上。

漫步云涧

从海底来的回声

人们有很长的一段时间，没有从回声得到一点好处，后来才想出一个方法，利用它来测量海洋的深度。这件发明是偶然得到的。1912年，一只很大的游船“泰坦尼克”号跟冰山相撞沉没了，几乎全部乘客遭了难。为了保证航行的安全，人们想在浓雾里或者夜里行船的时候，利用回声来发现前进路上有没有冰山。这个方法实际上并没有成功，但是引出了另外一个想法：利用声音从海底的反射来测量海洋的深度。这个想法已经取得成功。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　图144是这种装置的简图。在船的一侧的底舱里靠近船底的地方有一个弹药包，在燃烧的时候发出剧烈的声响。这声波穿过水层到了海底，反射以后的回声折回到水面上来，由装在舱底的灵敏的仪器接收下来。一只准确的时钟计量出了声音从发出到回声到达相隔的时间。我们已经知道了声音在水里的速度，就很容易算出反射面的距离，换句话说，就是测出了海洋的深度。 　　这种测量海洋深度的装置叫做回声测深器，在测量海洋深度的工作上起着极大的作用。应用从前的测深器，只能在船只不动的时候测量，而且要花许多时间。那系着测锤的绳要通过轮盘垂下去，而且垂下得相当慢（每分钟约150米）；把它从海底提出来也是这么慢。因此，要测量3公里的深度，用这个方法就得花3刻钟。如果采用回声测深器，同样的测深工作只要几秒钟就完成了，而且测量的时候轮船仍旧可以照常行驶，所得到的结果也比用测锤的方法可靠得多，精确得多。最新的测深工作所得到的误差不超过1／4米（这时候时间的测量要精确到误差不超过1／3000秒）。 　　如果说深海的深度的精确测量对于海洋学有重大意义，那么，在浅水的地方进行又快又精确可靠的测深工作，对于航海是有真正帮助的，这可以保证航行安全：由于回声测深器的帮助，船只就能够大胆而且很快地向岸靠近。在现代的回声测深器里，已经不是用一般的声音，而是用非常强的“超声波”，是人的耳朵听不到的声音，它的频率大约每秒几百万次。这样的声音是由放在很快的交变电场里的石英片（压电石英）的振动产生的。

漫步云涧

昆虫的嗡嗡声








　　为什么昆虫在飞的时候时常会发出嗡嗡声来呢？它们大多数是没有发出这个声音的特殊器官的；这个嗡嗡声是只有在昆虫飞行的时候才听得到，原因是昆虫飞行的时候，每秒钟都要振动它的小翅膀几百次。振动着的翅膀事实上就是振动着的膜片，而我们知道，所有振动得足够频繁的膜片（每秒钟振动数超过16次的），都会产生出一定高低的音调来。

　　现在你可以明白，人们是用什么方法知道各种昆虫飞行时候翅膀振动的次数的。这件事情很简单，只要从听觉上判定昆虫发出嗡嗡声的音调高低就行了棗因为每一种音调都是跟一定的振动频率相当的。在“时间放大镜”（见第一章）的帮助之下，人们确定了各种昆虫的翅膀振动次数是几乎不变的；昆虫要调节它们的飞行，只是改变翅膀振动的大小棗就是“振幅”──和翅膀的倾斜度；只在受到天冷的影响的时候才增加每秒钟振动翅膀的次数。正是因为这个缘故，昆虫在飞行的时候发出的音调总是不变的……

　　人们已经测定了，譬如说，苍蝇（飞的时候发出F调音）每秒钟振动翅膀352次。山蜂每秒钟振动翅膀220次。蜜蜂在空着身子飞的时候发出A调音，每秒钟振动翅膀440次，如果带着蜜飞行，翅膀每秒钟只振动330次（B调）。甲虫飞行时候发出的音调比较低，两翅振动得比较慢。相反的，蚊子每秒钟要振动翅膀500～600次。为了使大家对于上面这一些数目有比较进一步的了解，让我来告诉你一个数目：飞机的螺旋桨，平均每秒钟只转25转。

漫步云涧

听觉上的幻象








　　如果我们由于一个什么原因，认为一个轻微的声音不是从近处，而是从很远的地方传来的，那么，我们会感到这个声音听起来就好像响得多。我们时常可以碰到这种听觉上的幻象，只是不大注意罢了。

　　下面这个很有趣的例子，就是一位美国科学家威廉·詹姆士在他著的《心理学》中所描述的：

　　有一天深夜，我正静坐着看书，突然，从房子前面传来一阵可怕的响声，接着，响声停止了，一会儿又响起来。我跑到客厅去，想细听一下这个声音，但是没有再听到。我刚回到房里坐下，把书拿起来，那个可怕的声音又强烈地响起来了，就像风暴或者泛滥的河水快要到来一样。这个响声从四面八方传来。我被弄得极度不安，再次走到客厅去，那声响又没有了。

　　当我重新回到房里的时候，突然发现，这个声音原来是一只睡在地板上的小狗打鼾时候发出来的……这里有趣的是，一找到响声的真正原因，不管怎么努力，原来的幻觉就再也不会重现了。

　　读者可能也会从自己日常生活中回想起同样的例子来。我就不止一次地碰到过这种情形。

漫步云涧

蟋蟀在哪里叫

一个发出声音的物体在哪里，我们时常容易弄错的，不是它的距离，而是它的方向。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　我们的耳朵能够很好地辨别枪声是从左边发出的还是从右边发出的（图145）。但是假如这声源是在我们的正前方或者正后方，我们的耳朵就时常没有能力辨明声源的位置（图146）：正前方放出的枪声，听起来时常像是在后面发出的一样。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　对这种情形，我们只能够根据声音的强度辨别枪声的远近。 　　下面是能够使我们学到许多东西的一个实验。叫随便哪一位蒙住眼睛坐在房间中央，请他安静地坐着不动，也不要把头转动。然后，你拿两枚硬币敲响起来，你所站的位置要总是在他的正前方或者正后方。现在请他说出敲响硬币的地方。他的答案会奇怪得简直叫你不相信：声音发生在房间的这一角，他却会指着完全相反的一角！ 　　假如你不是站在他的正前方或者正后方，那么错误就不会这么严重。这是很容易了解的：现在他离得比较近的那只耳朵已经可以比较先听到这个声音，而且听到的声音也比较大，因此他能够判定声音是从哪里发出的。 　　这个实验同时说明了为什么在草丛里很难找到蟋蟀的原因。蟋蟀的响亮声音从离你两步远的右边草丛里发出。你往那边看去，但是，什么也没有看到，而声音却已经变成从左边传来了。你把头转到那边去──但是声音又从第三个地点传来了。你的头向声音的方向转得越快，那位看不到的音乐家好像也跳得越机敏。事实上，这只蟋蟀却始终是在同一个地方；它的捉摸不到的“跳跃”，不过是你想象的结果，是听觉欺骗的结果罢了。你的错误就在于当你扭转头部的时候，恰好使蟋蟀的位置在你头部的正前方或者正后方。这样，我们就能知道为什么很容易弄错声音方向的原因：蟋蟀原来是在你的正前方，你却错误地认为它是在相反的方向上。 　　从这里可以得到一个实际的结论：假如你想知道蟋蟀的声音、杜鹃的歌声以及这一类远地方传来的声音从什么地方发出的，千万不要把面孔正对声音，而要相反地，把面孔侧对声音，让一个耳朵正对声音，即我们平常所说的“侧耳倾听”。

漫步云涧

声音的怪事








　　当我们咀嚼烤干的面包片的时候，我们会听到很大的噪音，但是在我们旁边的朋友也正在大嚼同样的烤面包片，我们却听不到什么显著的声音。这位朋友是怎样避免发出噪音的呢？原来，这种噪音只有自己的耳朵才听得到，你旁边的朋友是听不到的。人体头部的骨骼，跟一切坚韧的物体一样，非常容易传导声音，而声音在实体介质里，有时候会加强到惊人的程度。嚼烤面包片时候的碎裂声，经过空气传到别人的耳朵里，只听到轻微的噪音；但是那个破裂声假如经过头部骨骼传到自己的听觉神经，就要变成很大的噪音了。这儿还有一个同样性质的例子：把你的怀表圆环用牙齿咬起来，两只手掩紧两只耳朵，你会听到很重的打击声，滴答声给加强了许多倍！

　　贝多芬耳聋以后，据说就是用一根棒听取钢琴演奏的，他把棒的一端触在钢琴上，另一端咬在牙齿中间。许多内部听觉还完整的聋子，也都能够依着音乐的拍子跳舞，这是因为音乐的声音经过地板和他的骨骼传导过来的缘故。