书城自然物理:在辉煌的历史里
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第3章 对共鸣与隔音的利用

共鸣是物体因共振而发声的现象。在战争环境下,古代人发明了各种各样的共鸣器,用来侦探敌情。

隔声是把声音约束在一定范围里,而不让它传播出去。我国古代还发明了隔声的方法,可称为现代消声技术的先导。

三国时期,诸葛亮率蜀军南下,来到云南陆良,与南军在战马坡相会。南蛮王孟获特意请深通法术的八纳洞洞主木鹿大王前来助阵。

木鹿大王来到战马坡,命手下官兵挖了两条长不到40米,宽不足1米的山路,叫做“惊马槽”,并将蜀军引到附近。

双方开战后,军南阵营突然响起“呜呜”的号角声,随即虎豹豺狼、飞禽走兽乘风而出。蜀军深入云南,从未见过这阵势,一时无力抵挡,迅速退入山谷。

就在这时,意外一阵狂风过后,只听周围的岩石、树木一齐作响,发出凄厉的尖啸,似厉鬼呼号,摄人魂魄。蜀军马惊人坠,损失惨重。后来,诸葛亮施展才智,巧用计谋,才降伏了孟获。此战过后,惊马槽一带从此阴云不散。一千多年来,生活在这里的村民,在一处幽深的山谷中,经常会听到兵器相碰、战马嘶鸣的声音,他们把这种奇怪的现象叫做“阴兵过路”。直至惊马槽的旁边修了一条公路,怪声才得以平息。

其实,惊马槽的形状很像啤酒瓶的瓶身,如果吹一下啤酒瓶口,可以听到刺耳的响声。吹进惊马槽的风,在与岩壁不断撞击之后,形成了共鸣与声音反射的声学现象,便出现了村民们传说的怪声。

很显然,这是一个物理现象,在声学上叫“共鸣”。共鸣是一种物理现象。我国古代对共鸣现象的认识和利用是颇有成就的。比如制造共鸣器,让声音通过它来放大,便能听到远处的声音。这项技术还曾经被用于军事战斗中。

早在战国初期,墨家创始人墨翟就发明了几种用共鸣器侦探敌情的方法,并在《墨子》一书中记载下来。

一种方法是:在城墙根下每隔一定距离挖一深坑,坑里埋置一只容量七八十升的陶瓮,瓮口蒙上皮革,让听觉聪敏的人伏在瓮口听动静。可以察觉到敌人挖地道攻城的响声,不仅可以发觉敌情,还可以根据各瓮声音的响度差别,识别来敌的方向和位置。

另一种方法是:在同一个深坑里埋设两只蒙上皮革的瓮,两瓮分开一定距离。根据这两只瓮的响度差别,来判别敌人所在的方向。

还有一种方法:一只瓮和前两种方法所说的相同,也埋在坑道里,另一只瓮则很大,要大到足以容纳一个人,把大瓮倒置在坑道地面,并让监听的人时刻把自己覆在瓮里听响动。利用同一个人分别谛听这两种瓮的声响情形,来确定来敌的方向和位置。

埋瓮测听就是利用了共鸣的原理。敌方开凿地道时所发出的声响在地下传播的速度高,而且衰减小,容易激起缸体共振,从而可以侦测地下敌人所在的方位。这种简易可靠的侦察方法,也被用于地面战斗。

《墨子》一书记载的方法被历代军事家沿袭使用。唐代军事理论家李筌、宋代军事家曾公亮、明代儒将茅元仪等,都曾在他们的军事或武器著作中记述了类似的方法。

曾公亮还把《墨子》记述的蒙有皮革的瓮叫做“听瓮”,把瓮口不蒙皮革、直接覆在地道里谛听的方法叫做“地听”。李筌的《神机制敌太白阴经》、曾公亮的《武经总要·警备篇》都曾描述另一种更加简便实用的共鸣器:

除了埋瓮外,古代军队中还有一种用皮革制成的枕头,叫做“空胡鹿”,让聪耳战士在行军之夜使用,即便敌军人马活动在15千米外,东西南北各方向都可侦听到。

宋代科学家沈括的《梦溪笔谈·器用》中记述:“牛革制成的箭袋,用作卧枕,附地枕之,数里内有人马声,则皆闻之”。伟大的科学家沈括还对以上瓮、枕等的功用作出了物理解释。他说“取其中虚”,“盖虚能纳声也”,这个解释和现代声音在固体中传播的知识是一致的。

从宋代起,人们还发现,去节长竹,直埋于地,耳听竹筒口,则有“嗡嗡”若鼓的声音。

当声音在像地面、铁轨、木材等固体中传播时,遇到空穴,在空穴处产生交混回响,使原来在空气中传播的听不见的声音变得可以听见。值得注意的是,那种用竹筒听地声的方法正是近代医用听诊器的滥觞。

至明代,抗倭名将戚继光曾用大瓮覆人来听敌凿地道的声音。戚继光也曾用埋竹法谨防倭寇偷袭。甚至在现代的一些战争中,不少国家和民族还继续采用这些古老而科学的共鸣器。

我国古代对隔声也有认识和利用。

隔声是指声波在空气中传播时,用各种易吸收能量的物质消耗声波的能量,使声能在传播途径中受到阻挡而不能直接通过的措施,这种措施称为“隔声”。

我国古代有的建筑为了隔音,用陶瓮口朝里砌成墙,每个瓮都起隔音作用。这种隔音技术正是利用了共鸣消耗声能的特性。

比如明代方以智说:私铸钱者,藏匿于地下室之中,以空瓮垒墙,使瓮口向着室内,声音被瓮吸收。这样,过路人就听不见他们的清代初期,人们用同样的方法,把那种在地下的隔声室搬到地面上,以致“贴邻不闻”他室声。可见,我国古人最早创建了隔声室。