书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第13章 有趣的声学(4)

海豚也可以发出超声波,通过超声波的反射来判断前面是否有障碍。虽然人类不能发射超声波,但是人类有聪明的大脑,我们利用蝙蝠和海豚“看”东西的原理,发明了声纳和雷达,利用超声波的反射来探测水下和空中目标。倒退100多年,如果泰坦尼克号上装了声纳,它肯定不会沉没!

【物理碰碰车】听不到的“超声波”

大自然中存在着许多声音,但并不是每一种声音人类都能听到。而且随着年纪增加,听力退化,原本不是超声波的声音也可能变成超声波。比如老年人听到高音时会异常迟钝,他们听到的声音频率的最大界限可能只有6000赫兹。还有些人则天生听不到昆虫和麻雀的叫声,但是他们的听觉器官却一切正常。

传递消息的超声波

除了正常频率范围内的声音可以传递信息,超声波也可以传递信息,不过传递这种信息却需要狗的帮助。

有两个英国人随殖民军来到非洲掠夺金刚石矿,不巧的是,刚进来就被当地的土著人包围了,被逮到了一间黑屋子里。

“我也想不通,他们是怎样发现我们的呢?为什么一下子过来这么多人包围我们?”矮个子说。

“我们太大意了吗?没有啊,我们一直高度警惕啊!”高个子自问自答,“上一次,我们得手了,只要听到土著人吹哨的声音,就知道他们发现了我们,并且召集他们的人来包围我们。可我们及时撤退了。”

“是啊,他们是用哨音来传信的。”

“经我观察,他们见到外人时,就吹一声长长的哨音告诉其他的土人;见我们走了,他们就吹两短声,其实他们还挺聪明的。”他们虽然被抓了,但还是看不起土著人。

“这次……看来这个部落的土人比那个部落更聪明。”

“他们到底是怎样传信的呢?”

“我看见他们在吹放在嘴里的一个东西。”

“是什么东西?”

“看不清。那东西很小,吹的时候好像十分费力,但是听不到声音。吹哨的人还带着一条大黄狗,这狗很听主人的话,跟在后面一声不吭,只是偶尔抬头看看主人。”

“奇怪,人不喊,狗不叫,那么远处的人怎么知道我们来了呢?”

“唉,落得这个下场,也是罪有应得!”

“人家的金刚石,当然不愿意被别人抢走!”

但土人传消息之谜,他俩始终也没弄明白。

其实,当地土人也是靠哨音传给远方同伴的,不过,他们用的哨子很小,发出的不是普通的声音,而是每秒钟振动几万次的超声波。

人耳听到的声音,最低是每秒钟振动20次的声音,最高是每秒钟振动2万次的声音,再低再高就都听不见了。但狗能听见超声波,土人训练狗,使它一听到超声波就抬头蹭蹭主人,主人知道情况有变,就吹哨向远方发出超声波,一站接一站,各处的土人很快都知道了,一起赶来包围偷金刚石的殖民者。

【物理碰碰车】超声波的“透视眼”

超声波的应用领域非常广泛。它已经在医学上得到应用,听不到的超声波和看不到的紫外线一起为医疗事业服务。在冶金工业中,超声技术也得到了成功地运用,它可以“透视”厚达一米的金属,也能发现小到1毫米的杂质。人们还可以利用它探查金属的气泡、杂质、裂缝等瑕疵。

让人欢喜让人愁的噪声

没有人喜欢噪声,因为噪声对人体有很多危害。它不仅能降低人的听力,还会引发头痛、神经衰弱和饮食不振等症状。长期生活在噪声环境下的人,甚至会引起呼吸、血压和肠胃方面的疾病。另外,噪声还会降低人的智力水平。有研究发现,在铁路附近的学校里接受教育的学生,他们的阅读能力和学习成绩,明显比位于安静区域的学校的学生低。

不仅对人,噪声对动物的危害也不容小觑。有一项科学实验测试出来,如果兔子处在160分贝的噪音环境下,它们就开始体温升高、心跳不稳,甚至会躁动不安地乱冲乱撞。生活在水里的鱼类同样不喜欢噪声,它们一听见轮船螺旋桨的声音就会飞快地逃跑。

尽管如此,噪声也不是百害而无一利的。人们可以利用噪声更便捷地做一些事情。

噪声可以催熟种子,经研究发现,不同的草类发芽的时间各不相同,对噪声的敏感程度也不一样。人们利用这个特点发明了噪声除草机。这种机器产生的噪音专门针对杂草,它使杂草受到刺激而提前发芽,这样,等到农作物生长时,杂草已经被消灭掉了,自然无力危害农作物了。

前面我们提到鱼类也害怕噪声,人们利用鱼类的这个弱点发明了一种“噪声弹”。这种噪声弹放入水里会爆炸,并释放出具有一定威力的噪声,暂时麻痹鱼类的听觉神经,使鱼儿昏迷、浮出水面。这时候,捕鱼者就可以开开心心地把鱼捞上来了。当然,出于保护水产资源的目的,他们会放小鱼一条生路。

这只是目前人们对噪声利用的两个小例子,随着科技的发展,人们肯定能够更多地利用噪声。

【物理碰碰车】声音的安全范围

为了防止噪音对人体的危害,我国著名声学家马大猷教授总结研究了国内外各类噪音的危害和标准,提出了三条建议:1为了保护听力和身体,噪音的允许值在应该在75~90分贝;2.为了保障通讯联络,环境噪音的允许值在应该在45~60分贝;睡眠的时候,周围的声音应该在35~50分贝。最理想的安静环境是30~40分贝。

如果突然暴露在高达150分贝的噪声中,轻则鼓膜破裂出血,双耳失去听力;重则引发心脏共振,导致死亡。

会拐弯的声音:声波的反射

回声让石像复活

石像突然开口说话了,这也太可怕了!是神仙显灵了吗?当然不是,这只是工匠们跟大家开的小小玩笑而已。

和平面镜反射光线的原理相似,森林、高高的院墙、大建筑物、高山,总之,能够反射回声的所有障碍物都可以叫做声音的“镜子”。反射声音的“镜子”与反射光线的镜子的不同之处在于,反射声音的“镜子”不是平面的,而是凸面或者凹面,或者不规则曲面。其中的凹面的“镜子”会把声线聚拢在“镜子”的中心位置。

中世纪的时候,就有建筑师利用凹面“镜子”的这种功能,建筑了一座奇妙的声学建筑。在这座建筑中,拱形的屋顶把经由传声管从外面传进来的声音送到半身像的嘴上,院子里的各种声音,通过隐藏在建筑物里的巨大传声筒,传送到一个大厅中的半身人像旁边,这些诸如海螺形状的传声筒起到了收集声音的作用,而半身像所处的位置就是反射声音的凹面镜的焦点位置,参观建筑物的客人,会觉得半身像仿佛会说话。

凹面的声音的“镜子”所起的作用跟反光镜非常相似,它会把“声线”聚焦在它的焦点上。我们可以通过一个简单的实验来体会一下:

先找两只盘子,把其中的一只放在桌子上;另一只用手拿着,放在一只耳朵附近。然后用另一只手拿着你的表,把它放在距离桌子上所放的盘子几厘米高的位置。试几次之后,你就能找准表、耳朵和两个盘子的位置,这时候,你能听到表的指针跳动时发出的滴答声,它就仿佛是从耳朵旁边的盘子上发出的一样。如果闭上眼睛,这种错觉会更加明显,这时如果想只凭借听觉来判断表在哪只手里就非常困难,而且基本不可能了。

这种现象是不是很奇妙呢?

当然,声音不同,得到的回声也不同。通常越尖锐的声音,回声越清晰,如巫婆的尖叫。而与此相反,低沉的守墓人的声音,回声就很模糊了!

【物理碰碰车】声音的“镜子”——云朵

声音是以声波的形式传播的,声波一遇到障碍物,就会被反射回来,形成回声。当然,除了坚硬的障碍物,像云一样柔软的东西也能反射声音,甚至完全透明的空气,某些时候也能反射声音。英国物理学家丁铎尔就曾听到从完全透明的空气中反射过来的回声,那仿佛是用魔术从云彩里送回来一样。

收集回声的怪人

有这样一位收藏家,他心血来潮想要收集回声。为了达到目的,他不辞劳苦地买了许多能产生多次回声的土地。

首先,他在佐治亚州收买了可以重复产生四次的回声,接着又跑去马里兰买了可以响六次的回声,后来又到缅因州去买响十三次的回声,接下来买的是堪萨斯州响九次的回声和田纳西州一处响十二次的回声。

田纳西州的这处回声是他以非常便宜的价格买回的,因为峭岩有一部分崩塌了,需要进行修理。他以为可以将峭岩恢复成原来的样子,但由于负责这项工作的建筑师从来没有调整过回声,结果这个地方最终加工完毕后,变得只适合聋哑人居住了。

这是美国幽默作家马克·吐温的一篇小说中的情节,当然只是个笑话故事

但是,地球上的确实存在一些能够响多次回声的地方,有些甚至还因此而享誉世界。比如英国伍德斯托克城堡的回声,能重复17音节,而且非常清晰;格伯士达附近的德伦堡城的废墟,以前能够得到27次的回声,后来一堵墙被炸毁后,回声竟然再也听不到了;在捷克斯洛伐克的阿代尔斯巴赫附近有一个环状的断岩,在这个断岩的某个地方,回声能够使7个音节重复3次,但在离这个地点非常近,只有几步之遥的地方,即使步枪的射击也不会引起任何的回声;米兰附近的一个城堡,从侧屋的一个窗子里放出的枪声,回声可以重复40到50次,就是大声读一个单字,回声也能够重复30次。

那么该如何寻找回声呢?你需要记住的一点是不能站在离障碍物很近的地方。因为必须让声波走过足够长的路程,形成一个时间差,以便使回声和你自己发出的声音区别开来。这就不难理解,声音在空气中的传播速度是每秒钟340米,当我们站在距离障碍物85米的地方时,你会在发出声音后再过半秒钟听到回声,假如你离得很近的话,比如2米,那么你就很难听到回声了。