《愛(ài)動(dòng)腦筋的帕斯卡》聲學(xué)振動(dòng)原理

《愛(ài)動(dòng)腦筋的帕斯卡》聲學(xué)振動(dòng)原理詞的本義，是指任何與聽(tīng)覺(jué)有關(guān)的事物。但依通常所用，其一系指物理學(xué)中關(guān)于聲音的屬性、產(chǎn)生和傳播的分支學(xué)科；其二系指建筑物適合清晰地聽(tīng)講話、聽(tīng)音樂(lè)的質(zhì)量。聲音由物體（比如樂(lè)器）的振動(dòng)而產(chǎn)生，通過(guò)空氣傳播到耳鼓，耳鼓也產(chǎn)生同率振動(dòng)。聲音的高低（pitch）取決于物體振動(dòng)的速度。物體振動(dòng)快就產(chǎn)生“高音”，振動(dòng)慢就產(chǎn)生“低音”。物體每秒鐘的振動(dòng)速率，叫做聲音的“頻率”聲音的響度（loudness）取決于振動(dòng)的“振幅”。比如，用力地用琴弓拉一根小提琴弦時(shí)，這根弦就大距離地向左右兩邊擺動(dòng)，由此產(chǎn)生強(qiáng)振動(dòng)，發(fā)出一個(gè)響亮的聲音；而輕輕地用琴弓拉一根弦時(shí)，這根弦僅僅小距離左右擺動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)弱而發(fā)出一個(gè)輕柔的聲音。較小的樂(lè)器產(chǎn)生的振動(dòng)較快，較大的樂(lè)器產(chǎn)生的振動(dòng)較慢。如雙簧管的發(fā)音比它同類的大管要高。同樣的道理，小提琴的發(fā)音比大提琴高；按指的發(fā)音比空弦音高；小男孩的嗓音比成年男子的嗓音高等等。制約音高的還有其他一些因素，如振動(dòng)體的質(zhì)量和張力?？偟恼f(shuō)，較細(xì)的小提琴弦比較粗的振動(dòng)快，發(fā)音也高；一根弦的發(fā)音會(huì)隨著弦軸擰緊而音升高。不同的樂(lè)器和人聲會(huì)發(fā)出各種音質(zhì)（quality）不同的聲音，這是因?yàn)閹缀跛械恼駝?dòng)都是復(fù)合的。如一根正在發(fā)音的小提琴弦不僅全長(zhǎng)振動(dòng)，各分段同時(shí)也在振動(dòng)，根據(jù)分段各自不同的長(zhǎng)度發(fā)音。這些分段振動(dòng)發(fā)出的音不易用聽(tīng)覺(jué)辨別出來(lái)，然而這些音都納入了整體音響效果。泛音列中的任何一個(gè)音（如G，D或B）的泛音的數(shù)目都是隨八度連續(xù)升高而倍增。泛音的級(jí)數(shù)還可說(shuō)明各泛音的頻率與基音頻率的比率。如大字組“G”的頻率是每秒鐘振動(dòng)96次，高音譜表上的“B”（第五泛音）的振動(dòng)次數(shù)是5*96=480，即每秒鐘振動(dòng)480次。盡管這些泛音通?？梢詮膹?fù)合音中聽(tīng)到，但在某些樂(lè)器上，一些泛音可分別獲得。用特定的吹奏方法，一件銅管樂(lè)器可以發(fā)出其他泛音而不是第一泛音，或者說(shuō)基音。用手指輕觸一條弦的二分之一處，然后用弓拉弦，就會(huì)發(fā)出有特殊的清脆音色的第二泛音；在弦長(zhǎng)的三分之一處觸弦，同樣會(huì)發(fā)出第三泛音等。（在弦樂(lè)譜上泛音以音符上方的“o”記號(hào)標(biāo)記。自然泛音“naturalharmonics”是從空弦上發(fā)出的泛音；人工泛音“artificialharmonics”是從加了按指的弦上發(fā)出。）聲音的傳播（transmissionofsound）通常通過(guò)空氣。一條弦、一個(gè)鼓面或聲帶等的振動(dòng)使附近的空氣粒子產(chǎn)生同樣的振動(dòng)，這些粒子把振動(dòng)又傳遞到其他粒子，這樣連續(xù)傳遞直到最初的能漸漸耗盡。壓力向鄰近空氣傳播的過(guò)程產(chǎn)生我們所說(shuō)的聲波（soundwaves）。聲波與水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的水波不同，聲波沒(méi)有朝前的運(yùn)動(dòng)，只是空氣粒子振動(dòng)并產(chǎn)生松緊交替的壓力，依次傳遞到人或動(dòng)物的耳鼓產(chǎn)生相同的影響（也就是振動(dòng)），引起我們主觀的“聲音”效果。判斷不同的音高或音程，人的聽(tīng)覺(jué)遵守－條叫做“韋伯-費(fèi)希納定律”（Weber-Fechnerlaw）的感覺(jué)法則。這條定律闡明：感覺(jué)的增加量和刺激的比率相等。音高的八度感覺(jué)是一個(gè)2：1的頻率比。對(duì)聲音響度的判斷有兩個(gè)“極限點(diǎn)”：聽(tīng)覺(jué)閥和痛覺(jué)閥。如果聲音強(qiáng)度在聽(tīng)覺(jué)閥的極限點(diǎn)認(rèn)為是1，聲音強(qiáng)度在痛覺(jué)閥的極限點(diǎn)就是1兆。按照韋伯-費(fèi)希納定律，聲學(xué)家使用的響度級(jí)是對(duì)數(shù)，基于10：1的強(qiáng)度比率，這就是我們知道的1貝（bel）。響度的感覺(jué)范圍被分成12個(gè)大單位，1貝的增加量又分成10個(gè)稱作分貝（decibel）的較小增加量，即1貝＝10分貝。1分貝的響度差別對(duì)我們的中聲區(qū)聽(tīng)覺(jué)來(lái)說(shuō)大約是人耳可感覺(jué)到的最小變化量。當(dāng)我們同時(shí)聽(tīng)兩個(gè)振動(dòng)頻率相近的音時(shí)，它們的振動(dòng)必然在固定的音程中以重合形式出現(xiàn)，在感覺(jué)上音響彼此互相加強(qiáng)，這樣一次稱為一個(gè)振差（beat）。鋼琴調(diào)音師在調(diào)整某一弦的音高與另一弦一致的過(guò)程中，會(huì)聽(tīng)到振差在頻率中減少，直到隨正確的調(diào)音逐漸消失。當(dāng)振差的速率超過(guò)每秒鐘20次，就會(huì)聽(tīng)到一個(gè)輕聲的低音。當(dāng)我們同時(shí)聽(tīng)兩個(gè)很響的音時(shí)，會(huì)產(chǎn)生第三個(gè)音，即合成音或引發(fā)音（combinationtone或resultanttone）。這個(gè)低音相當(dāng)于兩個(gè)音振動(dòng)數(shù)的差，叫差音（differencetone）。還可以產(chǎn)生第四個(gè)音（一個(gè)弱而高的合成音），它相當(dāng)于兩個(gè)音振動(dòng)數(shù)的和，叫加成音（summationtone）。同光線可以反射一樣，亦有聲反射（reflectionofsound），比如我們都聽(tīng)到過(guò)的回聲。同理，如果有阻礙物擋住了聲振動(dòng)的通行會(huì)產(chǎn)生聲影（soundshadows）。然而不同于光振動(dòng)，聲振動(dòng)傾向于圍繞阻礙物“衍射”（diffract），并且不是任何固體都能產(chǎn)生一個(gè)完全的聲影。大多數(shù)固體都程度不等地傳遞聲振動(dòng)，而只有少數(shù)固體（如玻璃）傳遞光振動(dòng)。共鳴（resonance）一詞指一物體對(duì)一個(gè)特定音的響應(yīng)，即這一物體由于那個(gè)音而振動(dòng)。如果把兩個(gè)調(diào)音相同的音叉放置在彼此靠近的地方，其中一個(gè)發(fā)聲，另一個(gè)會(huì)產(chǎn)生和應(yīng)振動(dòng)，亦發(fā)出這個(gè)音。這時(shí)首先發(fā)音的音叉就是聲音發(fā)生器（generator），隨后和振的音叉就是共鳴器（resonator）。我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)教堂的某一窗戶對(duì)管風(fēng)琴的某個(gè)音產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)；房間里的某一金屬或玻璃物體對(duì)特定的人聲或樂(lè)器聲也會(huì)產(chǎn)生類似的響應(yīng)。從共鳴這個(gè)詞的嚴(yán)格科學(xué)意義說(shuō)，這一現(xiàn)象是真正的共鳴（“再發(fā)聲”）。這一詞還有不太嚴(yán)格的用法。它有時(shí)指地板、墻壁及大廳頂棚對(duì)演奏或演唱的任何音而不局限于某個(gè)音的響應(yīng)。一個(gè)大廳共鳴過(guò)分或是吸音過(guò)強(qiáng)（“太干”）都會(huì)使表演者和觀眾有不適感（一個(gè)有回聲的大廳常被描述為“共鳴過(guò)分”，其實(shí)在單純的聲音反射和和應(yīng)振動(dòng)的增強(qiáng)之間有明確的區(qū)別）?；祉憰r(shí)間應(yīng)以聲音每次減弱60分貝為限（原始輻射強(qiáng)度的百萬(wàn)分之一）。墻壁和頂棚的制造材料應(yīng)是既回響不過(guò)分又吸音不太強(qiáng)。聲學(xué)工程師已經(jīng)研究出建筑材料的吸音的綜合效能系數(shù)，但是吸音能力難得在音高的整體幅面統(tǒng)一貫穿進(jìn)行。只有木頭或某些聲學(xué)材料對(duì)整個(gè)頻率范圍有基本均等的吸音能力。放大器和揚(yáng)聲器可以用來(lái)（如今經(jīng)常這樣使用）克服建筑物原初設(shè)計(jì)不完善所帶來(lái)的問(wèn)題。大多數(shù)現(xiàn)代大廳建筑都可以進(jìn)行電子“調(diào)音”，并備有活動(dòng)面板、活動(dòng)天棚和混響室可適應(yīng)任何類型正在演出的音樂(lè)。聲學(xué)是研究媒質(zhì)中聲波的產(chǎn)生、傳播、接收、性質(zhì)及其與其他物質(zhì)相互作用的科學(xué)。聲學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)中歷史最悠久而當(dāng)前仍在前沿的一個(gè)分支學(xué)科。因而它既古老而又頗具年輕活力。聲學(xué)是物理學(xué)中很早就得到發(fā)展的學(xué)科。聲音是自然界中非常普遍、直觀的現(xiàn)象，它很早就被人們所認(rèn)識(shí)，無(wú)論是中國(guó)還是古代希臘，對(duì)聲音、特別是在音律方面都有相當(dāng)?shù)难芯?。我?guó)在3400多年以前的商代對(duì)樂(lè)器的制造和樂(lè)律學(xué)就已有豐富的知識(shí)，以后在聲音的產(chǎn)生、傳播、樂(lè)器制造、樂(lè)律學(xué)以及建筑和生產(chǎn)技術(shù)中聲學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用等方面，都有許多豐富的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和卓越的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。國(guó)外對(duì)聲的研究亦開(kāi)始得很早，早在公元前500年，畢達(dá)哥拉斯就研究了音階與和聲問(wèn)題，而對(duì)聲學(xué)的系統(tǒng)研究則始于17世紀(jì)初伽利略對(duì)單擺周期和物體振動(dòng)的研究。17世紀(jì)牛頓力學(xué)形成，把聲學(xué)現(xiàn)象和機(jī)械運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，促進(jìn)了聲學(xué)的發(fā)展。聲學(xué)的基本理論早在19世紀(jì)中葉就已相當(dāng)完善，當(dāng)時(shí)許多優(yōu)秀的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家都對(duì)它作出過(guò)卓越的貢獻(xiàn)。1877年英國(guó)物理學(xué)家瑞利（LordJohnWilliamRayleigh，1842～1919）發(fā)表巨著《聲學(xué)原理》集其大成，使聲學(xué)成為物理學(xué)中一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南鄬?duì)獨(dú)立的分支學(xué)科，并由此拉開(kāi)了現(xiàn)代聲學(xué)的序幕。聲學(xué)又是當(dāng)前物理學(xué)中最活躍的學(xué)科之一。聲學(xué)日益密切地同聲多種領(lǐng)域的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密聯(lián)系，形成眾多的相對(duì)獨(dú)立的分支學(xué)科，從最早形成的建筑聲學(xué)、電聲學(xué)直到目前仍在“定型”的“分子—量子聲學(xué)”、“等離子體聲學(xué)”和“地聲學(xué)”等等，目前已超過(guò)20個(gè)，并且還有新的分支在不斷產(chǎn)生。其中不僅涉及包括生命科學(xué)在內(nèi)的幾乎所有主要的基礎(chǔ)自然科學(xué)，還在相當(dāng)程度上涉及若干人文科學(xué)。這種廣泛性在物理學(xué)的其它學(xué)科中，甚至在整個(gè)自然科學(xué)中也是不多見(jiàn)的。在發(fā)展初期，聲學(xué)原是為聽(tīng)覺(jué)服務(wù)的。理論上，聲學(xué)研究聲的產(chǎn)生、傳播和接收；應(yīng)用上，聲學(xué)研究如何獲得悅耳的音響效果，如何避免妨礙健康和影響工作的噪聲，如何提高樂(lè)器和電聲儀器的音質(zhì)等等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)聲波的很多特性和作用，有的對(duì)聽(tīng)覺(jué)有影響，有的雖然對(duì)聽(tīng)覺(jué)并無(wú)影響，但對(duì)科學(xué)研究和生產(chǎn)技術(shù)卻很重要，例如，利用聲的傳播特性來(lái)研究媒質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，利用聲的作用來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等等。因此，在近代聲學(xué)中，一方面為聽(tīng)覺(jué)服務(wù)的研究和應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展，另一方面也開(kāi)展了許多有關(guān)物理、化學(xué)、工程技術(shù)方面的研究和應(yīng)用。聲的概念不再局限在聽(tīng)覺(jué)范圍以內(nèi)，聲振動(dòng)和聲波有更廣泛的含義，幾乎就是機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波的同義詞了。自然界從宏觀世界到微觀世界，從簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜的生命運(yùn)動(dòng)，從工程技術(shù)到醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，從衣食住行到語(yǔ)言、音樂(lè)、藝術(shù)，都是現(xiàn)代聲學(xué)研究和應(yīng)用的領(lǐng)域。聲學(xué)的分支可以歸納為如下幾個(gè)方面：從頻率上看，最早被人認(rèn)識(shí)的自然是人耳能聽(tīng)到的“可聽(tīng)聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語(yǔ)言、音樂(lè)、房間音質(zhì)、噪聲等，分別對(duì)應(yīng)于語(yǔ)言聲學(xué)、音樂(lè)聲學(xué)、房間聲學(xué)以及噪聲控制；另外還涉及人的聽(tīng)覺(jué)和生物發(fā)聲，對(duì)應(yīng)有生理聲學(xué)、心理聲學(xué)和生物聲學(xué)；還有人耳聽(tīng)不到的聲音，一是頻率高于可聽(tīng)聲上限的，即頻率超過(guò)20000Hz的聲音，有“超聲學(xué)”，頻率超過(guò)500MHz的超聲稱為“特超聲”，其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)約為10－８m量級(jí)，已可與分子大小相比擬，因而對(duì)應(yīng)的“特超聲學(xué)”也稱為“微波聲學(xué)”或“分子聲學(xué)”。超聲的頻率還可以高1014Hz。二是頻率低于可聽(tīng)聲下限的，即是頻率低于20Hz的聲音，對(duì)應(yīng)有“次聲學(xué)”，隨著次聲頻率的繼續(xù)下降，次聲波將從一般聲波變?yōu)椤奥曋亓Σā?，這時(shí)必須考慮重力場(chǎng)的作用；頻率繼續(xù)下降以至變?yōu)椤皟?nèi)重力波”，這時(shí)的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10－4Hz。需要說(shuō)明的是，從聲波的特性和作用來(lái)看，所謂20Hz和20000Hz并不是明確的分界線。例如頻率較高的可聽(tīng)聲波，已具有超聲波的某些特性和作用，因此在超聲技術(shù)的研究領(lǐng)域內(nèi)，也常包括高頻可聽(tīng)聲波的特性和作用的研究。從振幅上看，有振幅足夠小的一般聲學(xué)，也可稱為“線性（化）聲學(xué)”，有大振幅的“非線性聲學(xué)”。從傳聲的媒質(zhì)上看，有以空氣為媒質(zhì)的“空氣聲學(xué)”；還有“大氣聲