物理爱好者

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人的发声

顾达天

人的发声器官在喉头，由声带、软骨韧带结构的支架、控制声带位置和张力的肌肉群组成。肌肉的活动由神经来支配。声带位于人体喉腔中部，是附着在内壁上的肌肉组织，并呈瓣状，表面覆以粘膜，具有一定的弹性，是发声器官的主要组成部分。两声带间的开口（矢状裂隙）为声门裂（俗称声门）。从气管经喉头、咽部至嘴和鼻孔的管道为声道，如图2－1所示。 　　当空气从肺部经气管呼出时，呈一定张力的声带，由于受气流的不断冲击，引起振动而发声。人的发声是多谐的，其基频的高低取决于声带的长短、张力（松紧）和声门的大小；声音强度则取决于气流的大小和速度。说话时基频范围大约为100～300赫，男声较低，女声和童声较高。这是由于男人声带的质量比女人和儿童的大，而张力差不多，所以振动频率较低的缘故。人发声的某些谐波成分可因口、鼻、咽等腔的共振而增强，形成共振峰（表示受迫振动系统的振幅与强迫力频率之间关系的曲线，在共振频率附近，该曲线形似山峰，通常称为共振峰）。各共振峰的频率由这些共振腔的大小和形状决定。发声时通过主动对共振腔的控制便可得到不同的元音。气流通过声道时由于摩擦产生噪声，通过控制声道的缝隙便可得到相应的辅音。胸腔和头部也有共振作用，对人声音的音色有一定的影响。

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鸟的发声

顾达天

鸟类的发声器管叫鸣管。位于气管与支气管交界处，由若干个扩大的软骨环及其间的薄膜──鸣膜组成，如图2－2所示。通过气管内冲出的空气，使鸣膜等振动而发声。某些鸟类的气管两侧附有特殊的肌肉，称为鸣肌，可以控制鸣管的伸缩，从而调节进入鸣管的空气量和鸣膜的紧张度，改变其鸣叫声。不同种类的鸟，鸣肌数目及功能也不同。非鸣禽类，如鸵鸟、兀鹰的鸣管简单；鹑鸡虽具有完整的鸣管，但缺鸣肌因而都不能调节啼鸣。鸣禽类，如画眉、百灵、黄莺、相思鸟、金丝鸟等则有四对或五对鸣肌调节鸣膜的紧张度，因此能发出宛转悦耳的啼鸣声。

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昆虫的鸣叫声是怎样发出的？



顾达天



　　昆虫的鸣叫声是由特殊的发音器官产生的。在各种鸣虫中，蟋蟀的鸣声清脆好听。它的发音器官是由长在复翅上的一排坚硬的微细突出──音键和另一翅上长着的突起的发音镜两部分组成的。它在鸣叫时，复翅举起，约与身躯背面成45°角，向左右两侧张开又迅速合拢，这样左复翅上的音锉便不断地与右复翅上的发音镜发生摩擦，造成复翅的振动而发出声音来。音控对发音镜的摩擦越重，复翅的振动就越大，发出的声音就越响。这时整个复翅起了共振器的作用。另外，由于蟋蟀举起两翅时，能够任意调整角度，因此，它能发出好几种频率的声音来，而每种声音又各有一个基音和几个谐音，这样就使得蟋蟀的鸣叫声清脆宛转了。

　　蜂的鸣声粗犷嘹亮。它的发声器是长在腹部两侧的两片有弹性的薄膜，叫做声鼓。声鼓与身体内发达的声肌相连，外面有一块起保护作用的盖板，盖板和声鼓之间，有一个空腔，叫做共振室。蝉的鸣声，主要是靠声鼓和声肌发出来的。声鼓是一层脆韧有褶皱的向外突出的薄膜，当声肌迅速收缩时将声鼓向里拉，声肌松弛时声鼓向外凸，这样迅速连续不断地变换使声鼓振动，便发出声音来，经共振室扩音效大，张开盖板，声音就传出来了。

　　纺织娘也是很出名的鸣虫，因为鸣声很像织布机的声音时高时低，悠扬而动听，得到了纺织娘的美称。纺织娘的鸣声和蟋蟀一样也是来自翅翼。所不同的是，它除了有一对淡绿色的前翅外，下面还有一对薄纱似的后翅，当它振动翅翼时，前翅上的音锉和发音镜互相摩擦而发声，后翅没有发音组织，但也能沙沙作响。由于翅翼的结构不同，前翅发声频率高，后翅发声频率低，使鸣声变得一会儿高，一会儿低。余音袅袅，分外悦耳。

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人耳

（顾达天

耳是听觉器官的统称，其结构如图2－3所示。人耳可分为外耳、中耳和内耳，连同各级听觉中枢记成了令人惊奇的听觉系统。听觉的机理，包括从声波的机械振动至电、化学、神经脉冲、中枢信息加工等一系列复杂过程。 　　听觉的声学过程发生在外耳、中耳和内耳的耳蜗部分；听觉的神经过程发生在耳蜗的感受器部分、听神经及听觉中枢。我们这里简要介绍一下听觉的声学过程，这是人们已搞清楚的部分，而听觉的神经过程，目前人们还在探索之中。 　　外耳包括耳廓和外耳道，主要起集声作用；中耳包括鼓膜、听骨链、鼓室、咽鼓管等机构，主要起传声作用；内耳包括半规管、前庭、耳蜗三部分，其中耳蜗主要起感声作用。

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鱼类的听觉

将要上钩的鱼，会被岸上的说话声或脚步声吓跑，也能被它们喜欢的声音吸引。表明鱼类不但能够听到声音，而且它的听觉还相当灵敏。 　　鱼的听觉有两套机构。在鱼体表面有一系列小的器官能听出低频的声音（200赫以下）和感觉出水流，通常这些细的感觉细胞包在鱼皮下面的细管内，而这些细管又形成一条体侧的线──侧线。侧线能感觉出近距离的水的流动和振动，还能判断扰动的方向和距离。鱼具有比较完善的内耳，作为声的接收器，声音可由头骨经骨传导，或由鳔传到内耳。有一些鱼，体内有一些小骨，把鱼鳔和内耳中的液体连接起来。在鱼听声的过程中鱼鳔是特别重要的，因为在水中整个鱼对于声几乎是透明的，只有鳔是声的反射体。经过实验，一般的鱼类可以听到500～600赫以下的声音，超过这个频率范围，鱼类听声的能力就很差了。 　　鱼对声的反应渔民们早已在捕鱼活动中利用了。印度尼西亚的渔民会站在水中口学鱼叫来引诱鱼群。我国广东、福建沿海渔民用大声敲击船板轰赶鱼群，使其集中一处进行捕捞。敲击声对大黄鱼影响很大，有些大黄鱼受刺激后，甚至会将鱼鳔吐出口外而亡。

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回声



顾达天



　　回声是我们日常生活中常见的一种声现象。声波在传播过程中，碰到大的反射面（如建筑物的墙壁等）在界面将发生反射，人们把能够与原声区分开的反射声波叫做回声。人耳能辨别出回声的条件是反射声具有足够大的声强，并且与原声的时差须大于0．1秒。当反射面的尺寸远大于入射声波长时，听到的回声最清楚。

　　关于回声的应用，声响装置可谓典型。课本中介绍的用回声测海深、测冰山的距离和敌方潜艇的方位，都是由不同功能的声呐装置完成的。

　　1912年，英国大商船“坦塔尼克”号在赴美途中发生了与冰山相撞沉没的悲剧。这次大的海难事件引起了全世界的关注，为了寻找沉船，美国科学家设计并制造出第一台测量水下目标的回声探测仪，用它在船上发出声被，然后用仪器接收障碍物反射回来的声波信号。测量发出信号和接收信号之间的时间，根据水中的声速就可以计算出障碍物的距离和海的深浅。第一台回声探测仪于1914年成功地发现了3千米以外的冰山。实际上这就是现在被广泛应用于国防、海洋开发事业的声响装置的雏形。

　　第一次世界大战时，德国潜水艇击沉了协约国大量战舰、船只，几乎中断了横跨大西洋的海上运输线。当时潜水艇潜在水下，看不见，摸不着，一时横行无敌。于是利用水声设备搜寻潜艇和水雷就成了关键的问题。法国著名物理学家郎之万等人研究并造出了第一部主动式声呐，1918年在地中海首次接收到2～3千米以外的潜艇回波。这种声呐可以向水中发射各种形式的声信号，碰到需要定位的目标时产生反射回波，接收回来后进行信号分析、处理，除掉干扰，从而显示出目标所在的方位和距离。

　　第二次世界大战期间，由于战争需要声呐装置更趋完善。战后，人们开始实验使用军舰上的声响探测鱼群。不但测到了鱼群，而且还能分辨出鱼的种类和大小。人们在此基础上研制出各种鱼探机，极大地促进了渔业的发展。

　　回声在地质勘探中也有广泛的应用。例如在石油勘探时，常采用人工地震的方法，即在地面上埋好炸药包，放上一列探头，把炸药引爆，探头就可以接收到地下不同层间界面反射回来的声波，从而探测出地下油矿。

　　在建筑方面，设计、建造大的厅堂时，必须把回声现象作为重要因素加以考虑。在封闭的空间里产生声音后，声波就在四壁上不断反射，即使在声源停止辐射后，声音还要持续一段时间，这种现象叫做混响。混响时间太长，会干扰有用的声音。但是混响太短也不好，给人以单调、不丰满的感觉。所以设计师们须采取必要的措施，例如，厅堂的内部形状、结构、吸声、隔声等，以获得适量的混响，提高室内的音质。

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声速







　　声速，指声波在介质中传播的速度。是描述声波现象或声学研究的重要参量之一。

　　从声源发出的声波以一定的声速向周围传播，意味着声波的能量也以一定的速度向周围传播。目前所知，声波能够在所有物质（除真空外）中传播。其传播速度由传声介质的某些物理性质，主要是力学性质所决定。例如，声速与介质的密度和弹性性质有关，因此也随介质的温度、压强等状态参量而改变。气体中声速每秒约数百米，随温度升高而增大，0℃时空气中声速为331．4米／秒，15℃时为340米／秒，温度每升高1℃，声速约增加0．6米／秒。通常，固体介质中声速最大，液体介质中的声速较小，气体介质中的声速最小。另外，不均匀介质中的声速处处不等。各向异性介质中的声速随传播方向而异。

　　在有些情况下声速还与声波本身的振幅、频率、振动方式（纵波声速、横波声速等）有关。如果传播介质的尺寸不够大，则其边界对声速也有影响。因此为了使声速的量值确切地表征传声介质的声学特征，不受其几何形状的影响，一般须规定传声介质的尺寸足够大（理论上为无限大）情况下的声波传播速度。有时为了实用上的方便，也列出某些特殊情况下的声速，如固体细棒中的声速。