聲音“魔法”

2020年4月30日清晨，隆隆怪聲響徹英國(guó)格羅斯特郡上空。這怪聲像號(hào)角也像咆哮，不少當(dāng)?shù)鼐用衤?tīng)到怪聲后頭痛不已，大腦眩暈。劇烈的響動(dòng)甚至觸發(fā)了許多車輛的報(bào)警器。

雖然不能確定這種怪聲的來(lái)源，但科學(xué)家提出了幾種可能性。其一是地震。許多經(jīng)歷過(guò)地震的人都曾聽(tīng)到過(guò)持續(xù)十多秒、來(lái)自地底的沉悶巨響。如果附近發(fā)生地震，這些巨響到達(dá)高空后，很可能被云層反射回地面，讓人覺(jué)得怪聲從天而降。其二是隕石引發(fā)的音爆。許多隕石在距離地面很遠(yuǎn)的高空就燃燒殆盡，位于地面的人們無(wú)緣得見(jiàn)。不過(guò)，隕石高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的音爆卻能抵達(dá)地面，可能造成“號(hào)角聲”。

物體振動(dòng)產(chǎn)生聲音，聲音通過(guò)介質(zhì)傳播。雖然聲音的本質(zhì)很簡(jiǎn)單，但聲學(xué)現(xiàn)象卻十分奇妙。

物體振動(dòng)產(chǎn)生聲音，聲音經(jīng)介質(zhì)傳播

回聲定位? ?盲人騎車

丹尼爾是一名能騎自行車的盲人。他騎的車就是普通的兩輪自行車，沒(méi)有任何輔助設(shè)備，難怪第一次見(jiàn)識(shí)到他騎車的人都不敢相信他是一個(gè)什么也看不見(jiàn)的盲人。丹尼爾1歲多時(shí)因視網(wǎng)膜病變失明。孩童時(shí)的他學(xué)會(huì)了用舌頭抵在上顎，發(fā)出“咔嗒、咔嗒”聲。通過(guò)感知回聲，他學(xué)會(huì)了用耳朵去“看”物體的技能，就像蝙蝠一樣。

雖然用耳朵“看”到的信息沒(méi)有視覺(jué)信息那么豐富，但已經(jīng)足以讓丹尼爾感覺(jué)到物體大致的位置、大小和輪廓。他喜歡到附近的公共綠地散步。當(dāng)他來(lái)到一處涼亭時(shí)，他熟練地發(fā)出了一連串“咔嗒”聲，然后告訴一旁的記者，他們已經(jīng)來(lái)到了涼亭。他甚至還能通過(guò)回聲判斷柵欄是鋁合金的還是木質(zhì)的。用他的話說(shuō)，與金屬反彈回的聲音相比，木柵欄的回聲更溫暖、更沉悶。

借助回聲定位技能，丹尼爾甚至可以騎車

類似丹尼爾這樣的“蝙蝠人”在全世界還有許多。為了驗(yàn)證人是否能學(xué)會(huì)類似蝙蝠的回聲定位技巧，2021年，英國(guó)科學(xué)家對(duì)若干名盲人和普通人進(jìn)行了為期2個(gè)月的回聲定位訓(xùn)練。訓(xùn)練結(jié)束后，參與實(shí)驗(yàn)者被要求在一個(gè)封閉房間內(nèi)只通過(guò)回聲找到一個(gè)巴掌大的圓盤。結(jié)果，大多數(shù)參與者最終都成功找到了圓盤。盲人在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)大大優(yōu)于被蒙住眼的普通人，而普通人在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也聽(tīng)到了之前無(wú)法聽(tīng)到的回聲。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束的3個(gè)月后，83%的受訪盲人表示，自從學(xué)會(huì)這招，生活幸福多了。

回聲定位原理圖

寧?kù)o難忍? ?噪聲煩人

英國(guó)科學(xué)家特雷弗的工作是研究自然界的聲音，他曾經(jīng)去過(guò)的最安靜的地方是一片森林。這片森林遠(yuǎn)離公路，附近沒(méi)有河流或瀑布，也不在航線的下方，除了零星幾聲鳥叫，再?zèng)]有其他任何聲音，安靜得甚至讓人難受。

特雷弗可以清楚地聽(tīng)到自己的心跳聲和腳踩落葉發(fā)出的響聲，一旦停下腳步，他就會(huì)立刻被寧?kù)o包圍。他第一次發(fā)現(xiàn)安靜并不是好事：他開(kāi)始耳鳴。當(dāng)人處于十分安靜的環(huán)境時(shí)，就容易產(chǎn)生耳鳴現(xiàn)象，這是因?yàn)楫?dāng)周圍過(guò)于安靜時(shí)，腦干中的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)會(huì)放大內(nèi)耳中毛細(xì)胞發(fā)出的聽(tīng)覺(jué)信號(hào)。為了避免耳鳴，他不得不用力踩落葉，故意制造出一些噪聲。

適當(dāng)?shù)沫h(huán)境噪聲能讓我們放松，但噪聲多了就會(huì)給我們帶來(lái)壓力。有研究表明：人在鄉(xiāng)村等較為寧?kù)o的環(huán)境中時(shí)，體內(nèi)壓力激素水平較低，此時(shí)人是放松的;當(dāng)人處于城市環(huán)境中時(shí)，大腦時(shí)刻忙于抑制環(huán)境噪聲，體內(nèi)壓力激素水平會(huì)升高，讓人難以放松。

太安靜或太吵鬧都會(huì)讓人不適

恐怖電影? ?音效嚇人

恐怖電影之所以能嚇壞觀眾，配樂(lè)和音效貢獻(xiàn)巨大。許多恐怖片的配樂(lè)會(huì)用到水琴和角銅鋼鼓這兩種罕見(jiàn)的樂(lè)器。在熟練的樂(lè)師演奏下，這些樂(lè)器發(fā)出的聲音讓人毛骨悚然。

為什么這兩種樂(lè)器發(fā)出的聲音能讓聽(tīng)者不寒而栗？科學(xué)家將這種現(xiàn)象稱為“恐音癥”，也就是我們很難忍受某些特殊的聲音，比如用指甲用力刮黑板產(chǎn)生的吱吱聲。人類對(duì)1000～3000赫茲的聲音最敏感。科學(xué)家做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，如果將一段演講錄音中1000～3000赫茲的部分全部抹掉，那么這樣經(jīng)過(guò)加工的演講內(nèi)容會(huì)變得非常難懂。

角銅鋼鼓

水琴

一方面，水琴和角銅鋼鼓發(fā)出的聲音大多集中在2200～2700赫茲，剛好處于人的聽(tīng)覺(jué)敏感區(qū)域，這讓這些樂(lè)器的聲音很容易吸引觀眾的注意。另一方面，這些樂(lè)器發(fā)出的聲音介于純粹的噪聲與和諧的旋律之間，這種不協(xié)調(diào)也是造成人不適感的原因之一。

被埋雪中? ?呼喊沒(méi)用

住樓房的人多少都體會(huì)過(guò)來(lái)自樓上的噪聲，這是因?yàn)闃前迨橇己玫膫髀暯橘|(zhì)。傳遞到樓下房間的腳步聲經(jīng)過(guò)光滑墻面反射，不但沒(méi)有明顯減弱，反而匯聚在一起，讓人更難忍受。光滑的表面有利于聲音傳播，如果要吸收聲音，多孔材料是最好的選擇。

2014年，澳大利亞男子麥克在鐵擂堡滑雪場(chǎng)滑雪時(shí)遭遇雪崩，整個(gè)人被埋在雪堆中。被埋的他能夠感覺(jué)到附近時(shí)不時(shí)有滑雪愛(ài)好者經(jīng)過(guò)，但無(wú)論他如何呼喊，就是沒(méi)有人回應(yīng)他的求救。被埋1小時(shí)后，他被巡邏隊(duì)發(fā)現(xiàn)并救出。讓他想不通的是，之前自己明明已經(jīng)竭盡全力呼喊，為什么還是沒(méi)人聽(tīng)到？

雪地是很好的吸音表面

雪地的吸音效果很好。剛剛堆積起來(lái)的雪看似密實(shí)，其實(shí)雪花與雪花之間充滿空隙。聲波一旦進(jìn)入雪地，就會(huì)迷失在空隙迷宮中，經(jīng)過(guò)多次來(lái)回反彈，聲波能量被逐漸耗散，導(dǎo)致聲音有進(jìn)無(wú)出。有實(shí)驗(yàn)表明，雪地的消聲效果可以媲美專業(yè)錄音工作室，難怪當(dāng)時(shí)那么多人都沒(méi)有聽(tīng)到麥克的呼喊。

高頻低頻? ?各有用途

在我國(guó)的黃山，生活著一種能用超高頻聲波交流的蛙，它們能用最高頻率達(dá)120千赫的聲音進(jìn)行秘密通信，無(wú)論是人還是其他動(dòng)物都無(wú)法聽(tīng)到如此高頻率的聲音。

這種蛙生活的環(huán)境中聲響巨大。在豐水期，湍急的河水撞擊在河道中的巖石上發(fā)出巨大的聲響，不遠(yuǎn)處瀑布的轟鳴更是一刻不停。這些蛙要在如此吵鬧的環(huán)境中溝通，有兩種選擇：要么發(fā)出洪亮的蛙鳴蓋過(guò)水聲，要么用不同于流水噪聲頻率的聲波溝通。對(duì)于這些蛙，洪亮的鳴叫聲不但難以蓋過(guò)水聲，還會(huì)給天敵暴露自己的位置。因此，這些蛙進(jìn)化出了利用超高頻交流的本領(lǐng)。

一些蛙利用超高頻聲音秘密交流

生活在納米布沙漠的黃金鼴鼠幾乎沒(méi)有視覺(jué)。白天沙漠如同烤盤，它們就躲在陰涼洞穴中;夜晚沙漠變得涼爽，它們就在沙丘中進(jìn)行“沙泳”，以尋找食物。除了石龍子，黃金鼴鼠的食物主要是在沙粒中爬行的白蟻?？茖W(xué)家通過(guò)長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)，黃金鼴鼠可以聽(tīng)到微風(fēng)吹動(dòng)草葉發(fā)出的低頻聲，而如此低的聲音是大多數(shù)動(dòng)物無(wú)法察覺(jué)的。

為了感知草葉發(fā)出的微弱低頻聲，黃金鼴鼠進(jìn)化出了遠(yuǎn)超身體比例的錘骨（聽(tīng)小骨的一部分）。更大的錘骨更容易和草葉發(fā)出的低頻聲共振，也就讓黃金鼴鼠更容易在黑暗中發(fā)現(xiàn)草叢。草叢中生活著白蟻、蜈蚣等動(dòng)物。對(duì)于黃金鼴鼠，發(fā)現(xiàn)草叢就等于發(fā)現(xiàn)了食物來(lái)源。

黃金鼴鼠可以感知超低頻聲音

王府戲樓? ?聲學(xué)范例

坐落于北京什剎海的恭王府是國(guó)內(nèi)最大的四合院之一，曾是清咸豐時(shí)期的恭親王奕?（咸豐帝之弟）的宅院。雖然恭親王是不折不扣的昆腔“粉絲”，但是朝廷嚴(yán)令禁止王公大臣前往民間看戲，于是恭親王就在自己家中修建了一座大戲樓，每逢節(jié)日就邀請(qǐng)親朋前來(lái)賞戲。這座大戲樓占地685平方米，能容納200多名觀眾?？稍谀莻€(gè)麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器還沒(méi)有發(fā)明并傳入我國(guó)的年代，臺(tái)下的眾多觀眾怎樣才能聽(tīng)清楚臺(tái)上戲劇演員們的一唱一和，以及樂(lè)師們的胡琴鐃鈸聲呢？

恭王府大戲樓的聲學(xué)設(shè)計(jì)可謂十分精妙。首先，大戲樓內(nèi)沒(méi)有大面積堅(jiān)硬且光滑的表面，木質(zhì)梁柱都采用外露形式，有效抑制了戲臺(tái)聲音在室內(nèi)多次反彈而形成的混響?；祉憰r(shí)間越短，觀眾受到的干擾越小。我國(guó)科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，恭王府大戲樓混響時(shí)間明顯低于同時(shí)期類似規(guī)模的歐洲歌劇廳。更有趣的是，由于大戲樓內(nèi)部使用了大量木質(zhì)材料，在木材料的吸音作用下，臺(tái)上演員的唱腔聽(tīng)上去更加溫柔。

恭王府大戲樓

歌劇廳的防混響設(shè)計(jì)

其次，埋設(shè)在舞臺(tái)下方的9口大水缸作為共鳴體，起到了放大戲臺(tái)聲音的效果，就像二胡琴筒能夠放大琴弦振動(dòng)產(chǎn)生的聲音一樣。通過(guò)增加或減少缸中的水量，人們還能隨意調(diào)節(jié)共鳴的強(qiáng)弱。大戲樓的整體演出聲學(xué)效果十分優(yōu)秀——位于最后排的觀眾也能聽(tīng)得一清二楚。

耳語(yǔ)廊和回音壁

英國(guó)圣保羅大教堂的耳語(yǔ)廊充滿了魔幻色彩，因?yàn)樵谶@里人們對(duì)著墻壁輕聲說(shuō)出的話能夠被位于回廊另一端的人聽(tīng)到。耳語(yǔ)廊是一個(gè)位于教堂高處的圓形回廊，回廊上方不遠(yuǎn)處就是教堂的穹頂。

19世紀(jì)，英國(guó)著名科學(xué)家瑞利解釋了這種神奇現(xiàn)象。耳語(yǔ)廊上方的穹頂表面光滑且平整。人們?cè)诙Z(yǔ)廊上發(fā)出的聲音被穹頂反射后，能夠以很小的能量損失抵達(dá)回廊的另一側(cè)。并且，人們的話語(yǔ)聲在經(jīng)過(guò)穹頂反射后會(huì)匯聚到位于長(zhǎng)廊另一端的一個(gè)“焦點(diǎn)”位置。站在這個(gè)位置，人們可以更加清晰地聽(tīng)清對(duì)面人的說(shuō)話內(nèi)容。

位于北京故宮的天壇也體現(xiàn)了古人在建筑聲學(xué)上的造詣。在天壇中央，游客會(huì)發(fā)現(xiàn)腳下有一塊寫著“三音石”的石頭。三音石名字的由來(lái)，是人站在該處拍掌一次，能先后聽(tīng)到三次聲響。天壇四周的圍墻高且光滑，能很好地反射聲音。只有當(dāng)發(fā)聲和回聲間隔時(shí)間超過(guò)1/10秒，我們才能辨別出回聲。當(dāng)游客站在三音石的位置拍掌，發(fā)聲和回聲的時(shí)間間隔為1/5秒，因此能聽(tīng)到清晰的回聲，也就是第二聲。當(dāng)這些回聲再次被圍墻反射回到三音石后，我們還能聽(tīng)到第三聲。天壇四周圍墻的這種優(yōu)良的聲音反射特性，使其有了回音壁的美譽(yù)。