生活中的声学

超声波及其应用
人耳最高只能感觉到大约 20000 Hz 的声波，频率更高的声波就是超声波了．超声波广泛地应用在多种技术中．
超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播．它的应用就是按照这两个特点展开的．
理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比．超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大．在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度．这就是超声波加湿器的原理．对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位．利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效．利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．
金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事．如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净．
俗话说“隔墙有耳”，这说明声波能够绕过障碍物．但是，波长越短，这种绕射现象越不明显，因此，超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射．如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了．这种仪器叫做声纳．声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度．
根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹．
人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样．平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变．
有趣的是，很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官．以昆虫为食的编幅，视觉很
差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物．海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置．现代的无线电定位器——雷达，质量有几十、几百、几千千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器．深入研究动物身上各种器官的功能和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备，这是近几十年来发展起来的一门新学科，叫做仿生学。

噪声污染对身心健康的危害
1．强的噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤。

据测定，超过 115分贝的噪声还会造成耳聋。

据临床医学统计，若在80分贝以上噪音环境中生活，造成耳聋者可达50％。

医学专家研究认为，家庭噪音是造成儿童聋哑的病因之一。

2．使工作效率降低。

研究发现，噪声超过85分贝，会使人感到心烦意乱，人们会感觉到吵闹，因而无法专心地工作，结果会导致工作效率降低。

3．损害心血管。

噪声是心血管疾病的危险因子，噪声会加速心脏衰老，增加心肌梗塞发病率。

医学专家经人体和动物实验证明，长期接触噪声可使体内肾上腺分泌增加，从而使血压上升，在平均70分贝的噪声中长期生活的人，可使其心肌梗塞发病率增加30％左右，特别是夜间噪音会使发病率更高。

调查发现，生活在高速公路旁的居民，心肌梗塞率增加了30％左右。

调查1101名纺织女工，高血压发病率为 7.2％，其中接触强度达100分贝噪声者，高血压发病率达15.2％。

4．噪声还可以引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱甚至事故率升高。

高噪声的工作环境，可使人出现头晕、头痛、失眠、多梦、全身乏力、记忆力减退以及恐惧、易怒、自卑甚至精神错乱。

在日本，曾有过因为受不了火车噪声的刺激而精神错乱，最后自杀的例子。

5．干扰休息和睡眠。

休息和睡眠是人们消除疲劳、恢复体力和维持健康的必要条件。

但噪声使人不得安宁，难以休息和入睡。

当人辗转不能入睡时，便会心态紧张，呼吸急促，脉搏跳动加剧，大脑兴奋不止，第二天就会感到疲倦，或四肢无力。

从而影响到工作和学习，久而久之，就会得神经衰弱症，表现为失眠、耳鸣、疲劳。

6．对女性生理机能的损害。

女性受噪声的威胁，还可以有月经不调、流产及早产等，如导致女性性机能紊乱，月经失调，流产率增加等。

专家们曾在哈尔滨、北京和长春等7
个地区经过为期3年的系统调查，结果发现噪声不仅能使女工患噪声聋，且对女工的月经和生育均有不良影响。

另外可导致孕妇流产、早产，甚至可致畸胎。

国外曾对某个地区的孕妇普遍发生流产和早产作了调查，结果发现她们居住在一个飞机场的周围，祸首正是那飞起降落的飞机所产生的巨大噪声。

7．噪声对儿童身心健康危害更大。

因儿童发育尚未成熟，各组织器官十分娇嫩和脆弱，不论是体内的胎儿还是刚出世的孩子，噪声均可损伤听觉器官，使听力减退或丧失。

据统计，当今世界上有7000多万耳聋者，其中相当部分是由噪声所致。

专家研究已经证明，家庭室内噪音是造成儿童聋哑的主要原因，若在85分贝以上噪声中生活，耳聋者可达5％。

8．噪声对视力的损害。

人们只知道噪声影响听力，其实噪声还影响视力。

试验表明：当噪声强度达到90分贝时，人的视觉细胞敏感性下降，识别弱光反应时间延长；噪声达到95分贝时，有40％的人瞳孔放大，视模糊；而噪声达到115分贝时，多数人的眼球对光亮度的适应都有不同程度的减弱。

所以长时间处于噪声环境中的人很容易发生眼疲劳、眼痛、眼花和视物流泪等眼损伤现象。

同时，噪声还会使色觉、视野发生异常。

调查发现噪声对红、蓝、白三色视野缩小80％。

所以驾驶员应避免立体场音响的噪声干扰，不然易造成行车事故。

立体声的出现
1881年8月30日，克来门·阿代尔在德国获得了一项“改善剧场电话设备：的专利。

阿代尔的发明是：把两组麦克风置于剧场舞台的两边，声音便被分程送到载着受话器的观众的耳中。

这项发明在1881年举办的巴黎博览会上首次演示。

在那里“播送”巴黎剧场舞台
上的演出，获得了极大的成功。

人们认为，这是首次听到了立体声。

大约与此同时，有一位叫奥恩佐格的发明家，在普鲁士王储的宫殿里也使用了跟阿代尔的发明类似的装置。

立体声的突出特点是，是比起单声道或单源音来，能使听众更容易找到声源的位置。

这种现象，跟人们用两只眼睛比用一只眼睛更能准确地判断距离的远近的道理是一样的。

在第一次世界大战中，有一种用来发现敌人飞机的“双耳接收喇叭”，就是利用了立体声的这一特点。

也就是把两个大喇叭的小的一端用橡皮管连接到操作人员的两只耳朵上，他的听觉的方向性就会得到大大的加强。

立体声的发展，最初是与电话系统的发展密切相关的。

在20世纪30年代初期，以弗莱彻等人为指导，以斯托考斯基为顾问的贝尔电话寝室，是研究立体声的主要力量。

在贝尔实验室里，有一个叫奥斯卡的哑吧，他是推动立体声研究的主要人物。

奥斯卡是一个裁缝的孩子，由于聋哑，他在两只耳朵里安了两个麦克风，用以尽量创造条件听到声音。

1933年4月27日，贝尔电视实验室作了一次公开实验：把在费城举办的音乐会，通过电话线路以立体声的方式传到华盛顿。

早在1925年，康涅狄格州钮黑文的WPAJ电台，就通过采取用两种不同波长播同一节目，在听者的两只耳朵上各用一们接收器来分别收听的办法，进行了立体声广播。

而于1930年获得最早的立体声唱片专利权的，则是电气和音乐工业公司的布吕姆莱因。

把噪声“吃掉”
有“吃”声音的东西吗？
找一只滴嗒作响的小闹钟，用棉被把它包上，怎么样？它的响声被“吃”掉了吧？
玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、毛毡、棉絮、加气混凝土、吸声砖……都是吸声材料。

这些材料不是十分松软，就是带有小孔。

声波传播到吸声材料上，就会引起小孔隙里空气和细小纤维的振动，由于摩擦等阻碍，声能被转化成了热能，声音就这样被“吃”掉了。

如果用吸声材料装饰在房间的内表面上，或在室内悬挂一些吸声体，房间里的噪声会得到一定程度的降低。

这种方法就叫吸声。

打个比方说，如果在屋子的四周挂上黑布，在同样的电灯光下，室内光线就显得暗了。

要是四面都是镜子，屋里就会觉得很亮。

这是因为，黑布把照在它上面的光线吸收了，只靠电灯的直射光照明；明镜能把照在它上面的光反射回来，加强了室内的光线。

声波的情况也是这样。

用吸声材料包围起来，机器的噪声传到四周就被“吃”掉，很少有反射，噪声也就降低了。

利用吸声材料还可以制造消声器。

消声器可以“吃”掉讨厌的气流噪声，它是一种阻止声音传播而又允许气流通过的装置。

汽车尾部吐烟的地方，就有个粗管子式的消声器。

找一把哨子，再卷个纸筒，纸筒里放些泡沫塑料，把哨子放在里边。

吹哨子吧！你会听到，哨子的声音变小了，气流仍可通过。

用竖笛做这个实验，效果更好。

这就是一种最简单、最基本的消声器，叫管式阻性消声器。

声波进入消声器之后，吸声材料就把声能转化成为热能了。

消声器的种类很多，还有抗性的、共振式的等等，在各种空气动力机器中起着消声作用。

我国科学家近年来发明了微穿孔板消声器和小孔消声器，不仅消声效果好，而且不怕油，不怕水。

下过大雪后为什么太寂静
在冬天，一场大雪过后，人们会感到外面万籁俱静。

这是怎么回事?难道是人为的活动减少了吗?那么，为什么在雪被人踩过后，大自然又恢复了以前的喧嚣。

原来，刚下过的雪是新鲜蓬松的。

它的表面层有许多小气孔。

当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射。

由于气孔往往是内部大而口径小。

所以，仅有少部分波的能量能通过口径反射回来，而大部分的能则被吸收掉了。

从而导致自然界声音的大部分能均被这个表面层吸收，故出现了万籁俱寂的场面。

而雪被人踩过后，情况就大不相同了。

原本新鲜蓬松的雪就会被压实，从而减小了对声波能量的吸收。

所以，自然界便又恢复了往日的喧嚣。

次声杀人之谜
1890年，一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了。

20年后，人们在火地岛海岸边发现了它。

奇怪的是，船上的东西都原封未动，完好如初。

船长航海日记的字迹仍然依稀可辨；就连那些死已多年的船员，也都“各在其位”，保持着当年在岗时的“姿势”；1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫明其妙地死光；在匈牙利鲍拉得利山洞入口廊里，3名旅游者齐刷刷地突然倒地，停止了呼吸……
上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究。

就以本文开头的那桩惨案来说，船员们是怎么死的？是死于天火或是雷击吗？不是，因为船上没有丝毫燃烧的痕迹；是死于海盗的刀下吗？不！遇难者遗骸上看不到死前打斗的迹象；是死于饥饿干渴吗？也不是！船上当时贮存着足够的食物和淡水。

至于前面提到的第二桩和第三桩惨案，是自杀还是他杀？死因何在？凶手是谁？检验的结果是：在所有遇难者身上，都没有找到任何伤痕，也不存在中毒迹象。

显然，谋杀或者自杀之说已不成立。

那么，是以疾病一类的心脑血管突然发作致死的吗？法医的解剖报告表明，死者生前个个都很健壮！
案情的确蹊跷、迷离而莫测！
经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手”，是一种为人们所不很了解的次声
的声波。

次声波是一种每秒钟振动数很少，人耳听不到的声波。

次声的声波频率很低，一般均在20兆赫以下，波长却很长，传播距离也很远。

它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远。

例如，频率低于1赫的次声波，可以传到几千以至上万公里以外的地方。

1960年，南美洲的智利发生大地震，地震时产生的次声波传遍了全世界的每一个角落！1961年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生的次声波竟绕地球转了5圈之后才消失！
次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下。

次声穿透人体时，不仅能使人产生头晕、烦燥、耳鸣、恶心、心悸、视物模糊，吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木，而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织的重大损伤。

次声波对心脏影响最为严重，最终可导致死亡。

为什么次声波能致人于死呢？
原来，人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似（0.01～20赫），倘若外来的次声频率与身体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的“共振”，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状。

特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时，更易引起人体内脏的共振，使人体内脏受损而丧命。

前面开头提到的发生在马六甲海峡那桩惨案，就是因为这艘货船在驶近该海峡时，恰遇海上起了风暴。

风暴与海浪摩擦，产生了次声波。

次声波使人的心脏及其它内脏剧烈抖动、狂跳，以致血管破裂，最后促使死亡。

次声波虽然无形，但它却时刻在产生并威胁着人类的安全。

在自然界，例如太阳磁暴、海峡咆哮、雷鸣电闪、气压突变；在工厂，机械的撞击、摩擦；军事上的原子弹、氢弹爆炸试验等等，都可以产生次声波。

由于次声波具有极强的穿透力，因此，国际海难救助组织就在一些远离大陆的岛上建立起“次声定位站”，监测着海潮的洋面。

一旦船只或飞机失事之后，可以迅速测定方位，进行救助。

近年来，一些国家利用次声能够“杀人”这一特性，致力次声武器--次声炸弹的研制。

尽管眼下尚处于研制阶段，但科学家们预言：只要次声炸弹一声爆炸，瞬息之间，在方圆十
几公里的地面上，所有的人都将被杀死，且无一能幸免。

次声武器能够穿透15厘米的混凝土和坦克钢板。

人即使躲到防空洞或钻进坦克的“肚子”里，也还是一样地难逃厄运。

次声炸弹和中子弹一样，只杀伤生物而无损于建筑物。

但两者相比，次声弹的杀伤力远比中子弹强得多。

笛子发声的原理
笛子是利用空气振动发声和空气柱共鸣的原理制成的。

为了解这些原理，你可以做如下实验。

在家里你可以找出各种各样形状的空瓶，把嘴唇贴在空瓶口
上吹气（如右图所示），看看用它们吹出的最低音（基音）的音
调高低都跟哪些因素有关系。

首先选一个瓶子，逐渐往瓶内装入一些水，改变瓶内空腔的
体积v0，分别对瓶口吹气，可以发现v0越小，音调越高，即共鸣的基音频率f越大。

以后，再选瓶内空腔体积和瓶口内径基本相同，而瓶颈长度
L不等的瓶子，分别进行实验，定性地看看频率f与L有什么关
系。

最后，选瓶颈粗细不同，而长度L，空腔体积v0基本相同的
瓶子进行实验，看着频率f与瓶颈内截面积A有什么关系。

请把你的发现记录下来。

对于共鸣腔的发音规律，德国物理学家、生理学家亥姆霍兹（Hermann Vons Helmnoltz 1821～1894）曾经做过实验研究。

他研究了如左图所示的共鸣器，发现这种共鸣器的频率
k是与空气密度、大气压强、气体比热容有关的系数。

这种共鸣器就叫亥姆霍兹共鸣器。

你的实验结果与他的发现有相似之处吗？
08奥运会与声学试题
2008年将在北京举办的第29届奥运会，以“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”的举办理念，普及奥林匹克精神，弘扬中华民族优秀文化，加深各国人民之间的了解、信任与友谊。

与奥运盛事同步，一类与奥运会相联系的中考题目已走进物理中考。

1.（2007年重庆）2008年的北京奥运会倡导“绿色奥运”。

“绿色”的含义包括“绿化城市、绿色生活、绿色消费、人与自然和谐发展”等内容，“绿色奥运”需要从我做起，从身边的小事做起。

下列做法中符合“绿色”理念的是【】
A．随意将矿泉水瓶扔弃在林区
B．选用优质电池，不乱扔废旧电池
C．驾车时经常在居民居住区大声鸣笛
D．电视、空调等电器不使用时仍让指示灯亮着处于待机状态
２.（2007年包头）2008年的北京奥运会倡导“绿色奥运”，下列做法不符合绿色理念的是【】
A．废旧电池随意丢弃
B．吸烟时由于“烟雾分子”会扩散到周围空间，所以公共场所禁止吸烟
C．尽量减少一次性木筷、餐巾纸、塑料袋等物品的使用
D．积极参加植树造林活动，因为森林既能净化空气，又能减弱噪声
答案： 1. B 2. Ａ
音乐厅中运用了什么声学原理
主要是混响和回声
音乐厅是乐队演出的主要场所，除了专门为乐队服务的音乐厅外，歌剧院、大会堂、大教堂、演播大厅、电影院等都可以作为音乐厅使用。

反映音乐厅质量的主要因素是混响。

乐器停止发音后，声音并不马上消失，而是伴有余音的，即分贝数渐渐下降，这种现象称为混响，声学上把声音衰减60dB的时间称为混响时间。

混响是由于声音在室内反射造成的，室外是没有混响的。

混响时间和以下因素有关：
(1) 房间的体积：通常体积越大，混响时间越长；
(2) 房间内壁的材质：如果内壁是粗糙柔软的吸声材质，那么混响时间会短些，如果内壁是坚硬光滑的反射材质，那么混响时间会长些，房间的内壁指的是墙壁、天花板、地板，以及音乐厅内一切影响声音传播的障碍物，特别是坐椅，增加有软垫的坐椅数量会缩短混响时间；
(3) 声音的频率：由于高频声音的反射和衍射能力比低频声音差，所以高频声音的混响时间比低频声音短。

混响时间太短会使声音变得干涩，太长则会使音乐失去清晰的线条，两者都不利于音乐的欣赏。

实践表明，适合乐队演奏的音乐厅，混响时间应在1.5到2秒之间，当然，最佳的混响时间并不是唯一的，它取决于听众的爱好、音乐的类型、乐队的规模等诸多因素。

例如，重视音响效果的听众希望混响时间长些，重视音乐细节(旋律、节奏等)的欣赏者希望混响时
间短些；演奏交响乐时可以采用混响时间较长的音乐厅，而歌剧院的混响时间必须控制在2秒以内，否则歌手就无法听清自己的声音；小规模的乐队希望在混响时间长的音乐厅中演出，以增加音响，而过长的混响时间对于大规模的乐队(四管制，由两个交响乐团组合而成的乐队)有时反而不利。

和混响类似的一种现象称为回声，语言和音乐都会在回声的作用下变得模糊不清，因此回声是音乐厅中必须避免的。

产生回声的主要原因在于声音的反射体，如果很平滑，那么声音会作镜面反射，同一束声线(几何光学中“光线”的概念沿用在声学中)很有可能同时到达某个地方，由此产生回声，如果凹凸不平，那么声音会作漫反射，同一束声线被反射到不同的方向，然后以不同的时间到达某个地方，形成混响。

音乐厅的天花板通常有避免回声的装饰，例如很多形状不规则的吊顶。

此外，管弦乐和合唱表演必须使用乐队罩，也就是乐队背后的音板，这样，向上和向后传播的声音就会尽可能多地被音板反射回来，使得乐队罩起到聚光灯后凹面镜的作用，反之，把音板换成绒布，那么音量将减轻很多。