声音与听觉

作者:zhq 来源:本站原创 点击数: 发布时间:2004年07月21日

声音和听觉

  怎样寻找回声? 

  谁都没有看到过它,

  听呢,——每个人都听到过,

  没有形体,可是它活着,

  没有舌头——却会喊叫。

  ——涅克拉索夫 

  马克·吐温写过一个笑话,说到一位不幸的收藏家想搜集……你猜搜集什么?搜集回声!他不辞劳苦地收买了许多能够产生多次回声的土地。

  首先,他在乔治亚州收买回声,这地方的回声可以重复4次,接着跑到麦里兰去买6次回声,以后又到美恩去买13次回声。接下去买的是堪萨斯的9次回声,再下去是田纳西的12次回声,这一次买得非常便宜,因为峭岩有一部分崩毁了,需要加工修理。他以为可以把它修理好,但是担任这个工作的建筑师却向来没有过把回声变成三倍的经验,因此终于把这件事情搞坏了,——加工完毕以后,这地方恐怕只适宜给聋哑的人去住了……

  这当然只是开玩笑;但是很好听的多次回声却也的确在地球上各地方存在的,有的很早就已经引起大家注意,变成全世界出名的地方了。

  这里可以提几个有名的回声的例子:在英国的武德斯托克,回声可以清楚地重复17个音节,格伯士达附近迭连堡城的废墟能够得到27次的回声,后来一堵墙壁给毁坏,这回声才“静默”下去。捷克斯洛伐克的亚德尔士巴哈附近一个圆的断岩,在一定的地方上可以使7个音节做3次重复的回声,但是离这个地点几步,即使步枪的射击也不会发生回声。更多次数的回声曾经在米兰附近的一座城堡(现在已经不存在了)听到过:从侧屋窗子放出的枪声,回声重复了40-50次;用大声读一个单字,也能够重复30次之多。

  山地里的回声跟平地上不同,种类很多,可是听到的机会反而少。在山地里,要听到回声比在树林环绕着的平地里困难。

  你就会明白这是什么原因。回声实际上就是从某个障碍物反射回来的声波,它和光的反射一样。“声线”(就是声波传播的方向)的入射角也等于它的反射角。

  现在请设想你站在山脚下,而那会把你的声音反射回来的障碍物比你站立的位置高,例如在AB的地方。这儿不难看到,沿着Ca,Cb,Cc等线向前扩展的声波,经过反射,就不会到达你的耳朵,而在空间沿aa,bb,cc等方向散射开去。假如你站立的位置和障碍物在同一水平或者比障碍物高,那么情形就两样了。沿Ca,Cb向下传播的声音,沿CaaC或CbbC折线,从地面反射一二次后,会又回到我们的耳边来。两点之间地面的凹陷,会使回声更加清晰,起着象凹面镜一样的作用。相反的,假如C,B两点之间的地面是凸起的,那么这回声就很微弱,甚至根本不会传到你的耳朵里;这样的地面会和凸面镜一样,把“声线”散射开去。

  在不平坦的地面上寻找回声,是需要一定的技巧的。甚至已经找到了最合宜的地方,还得知道怎样把它“召唤”出来。首先,你不可以站在离障碍物太近的地方:应该让声音走过一段相当远的路,——否则回声回来得太快,会跟原来发的声音汇合到一起。我们知道声音的速度是每秒340米,那么就不难了解,当我们站在离障碍物85米的时候,你应当在发出这声音以后半秒钟,听到这个回声。

  虽然回声的产生是“由于一切声音在空旷的空间产生自己的反映”,——但是并不是所有声音反映得同样清晰的。“野兽在森林里吼叫,或者是号角在吹,或者是雷声在轰鸣,或者是一个女孩子在土丘后面歌唱”,所得到的回声都各不相同。所发声音越尖锐、越断续,所得到的回声就越清晰。最好是用拍手来引起回声。人的声音引起的回声比较不清晰,特别是男子的声音;妇女和孩子的高音调可以得到清晰得多的回声。

  声音代替量尺

  知道了声音在空气里的传播速度,在某些情形就可以用来测量不可接近的物体的距离。这件事情在儒勒·凡尔纳的《地心游记》小说里也有过描写。小说里的两位旅行家——教授和他的侄儿——在地下旅行的时候走散了。后来他们能够听到对方的声音,这时候两人之间曾经有过这么一段对话(这段故事是用侄儿的口吻叙述的):

  “叔叔!”我喊道。

  “什么事,我的孩子?”一忽儿之后,我听到了他的回答。

  “首先我想知道,我们两个人离开得有多远?”

  “这个容易!”

  “你的表走得好吗?”

  “好的。”

  “请你把它拿在手里。喊一声我的名字,并且就在喊的时候,记着表上的秒数。我一听到你的喊声,就立刻重复一声我的名字,你就把听到我的声音的时刻记下。”

  “好的。那时候从我发出声音到我听到你的声音这个时间的一半,就表示声音从我这里走到你那里所需要的时间了。你准备好了吗?”

  “准备好了。”

  “注意了!我喊你的名字了!”

  我把耳朵贴着墙壁。一等“亚克谢立”这个声音传到我的耳朵里,我立刻重复了这个喊了一声。

  “40秒,”叔叔说,“因此,声音从你那里到我这里一共走了20秒。声音每秒钟大约走三分之一公里,20秒钟大约走7公里。”

  假如在这一段里所讲的内容你能够完全明白,那么你就会自己很容易地去解答同一类的问题了。

  我在望到离得很远的火车头放出汽笛的白汽以后,过了一秒半钟,才听到了汽笛声。问我离这火车多远?

  声音的镜子

  树林,高院墙,大建筑物,高山,总之,一切反射回声的障碍物,都可以说是声音的镜子;这些东西反射声音的情形,跟平面镜反射光线的情形相同。

  这种声音的镜子不但有平面的,还有曲面的。凹面的声音的镜子作用跟反射镜一样,会把“声线”聚集在它的焦点上。

  你只要找两只盘子来,就可以做一个有趣的实验。请把一只盘子放在桌子上,把你的怀表用手拿在离这只盘底几厘米高的地方,拿另外一只盘子侧放在头旁边耳朵附近,象图143。假如表、耳朵和盘子的位置都选得正确(在几次试验以后就会成功),你会听到表的滴答声仿佛是从头旁边的盘子上发出的一样。假如你把眼睛闭起来,这个错觉就会更加厉害,那时候就真会不可能单凭听觉来判断,你的表究竟拿在哪一只手里——拿在左手还是右手里。中世纪城堡的建筑师时常造出一些声音上的怪事,他们把半身人像安放在声音的凹面镜的焦点上,或者放在巧妙地隐藏在墙壁里的传声管的一端。附图144是从十六世纪一本古书上复制出来的,那儿可以看到上面所说的那些异想天开的装置:拱形的天花板把经过传声管从外面送进来的声音送到石膏像的嘴上;暗装在建筑物里的很大传声筒把院子里的各种声音送到大厅里的半身人像旁边,等等。走进这种房间里的客人,会觉得云母石的半身像好象会说话唱歌一般。

  剧院大厅里的声音 

  时常到各种剧院和音乐厅去的人,一定都清楚地知道:有些大厅里,演员的言语和音乐的声音可以在很远的地方听得明了清楚,但是在有一些大厅里,虽然坐在前排,也听得不大清楚。这现象的原因,在一部讲声波和它的应用的书里有很好的说明:

  在建筑物里发生的随便什么声音,会在声源发声完毕以后继续传一个相当长的时间;它在多次反射作用下,绕着整个建筑物传了好几次,——但是在这同时,别的声音又接着发了出来,使听的人时常不可能把各个声音一个一个辨别清楚。例如假定一个声音要继续存在3秒钟,又假定讲话的人每秒发出3个音节,那么那相当于9个音节的声波就会一起在房间里行进,因此产生了一团糟的噪音,使得听众没法听懂讲话人要讲的意思。

  在这种情形,讲话的人只好一个字一个字分得非常清楚地讲下去,而且不要用太大的声音。但是一般的情形恰恰相反,讲话的人在这种情形往往更提高了声音,这样就只会把噪音更加增强了。

  还在不久以前,能够建筑出合于声学要求的剧院,是认为侥幸的事情的。现在呢,人们已经找到方法去消灭这种扰乱声音的现象(这现象叫做交混回响)。这本书不打算详细谈这个问题,因为这只有建筑师才感觉兴趣。我们只指出一点,就是,消灭交混回响现象的方法,主要是建造能够吸收剩余声音的墙壁。吸收声音最好的是打开的窗子(就象孔吸收光最好一样);人们甚至把一平方米的打开的窗子采用来做吸收声音的计量单位。坐在剧院里的观众也很能够吸收声音,虽然他们的吸收能力要比打开的窗子小一半:一个人吸收的声音相当于半米打开的窗子。一位物理学家说过,“观众吸收讲演人的演词,所谓‘吸收’可以照这个词的表面意义讲”,如果他这句话说得不错,那么,空虚的大厅对讲演的人是不利的,这句话也就可以照它的表面意义来讲。

  反过来说,假如声音的吸收太强了,这也会使声音听不清楚的。第一,过度的吸收会把声音减弱,第二,会把交混回响的作用减少得太多,使得听起来声音仿佛断断续续,给人一种枯燥的感觉。因此,我们固然应该避免过度的交混回响,但是太短的交混回响也不好。那么交混回响究竟要有怎样的程度才合适,这对于各种大厅是不一样的,应该在设计每座大厅的时候来决定。

  剧院里还有一个东西,从物理观点上看是很有趣的,这东西就是在台前提词用的台词厢。你可曾注意所有剧院的台词厢都是同一形状的吗?这原因是,台词厢的本身等于一种声学仪器。台词厢的拱壁等于一个声音的凹面镜,它起着两种作用:阻止提词的人发出的声波传播到观众方面去,还把这些声波反射到舞台上。

  从海底来的回声

  人们有很长的一段时间,没有从回声身上得到一点好处,后来才想出一个方法,利用它来测量海洋的深度。这件发明是偶然得到的。1912年,一只很大的邮船“泰坦尼克”号跟冰山相撞沉没了,几乎全部乘客遭了难。为了保证航行的安全,人们想在浓雾里或者夜里行船的时候,利用回声来发现前进路上有没有冰山。这个方法实际上并没有成功,但是引出了另外一个想法:利用声音从海底的反射来测量海洋的深度。这个想法已经得到了成功。

  图145是这种装置的简图。在船的一侧的底舱里靠近船底的地方有一个弹药包,在燃烧的时候发生激烈的声音。这声波穿过水层到了海底,反射以后的回声折回到水面上来,由装在舱底的灵敏的仪器接受下来。一只准确的时计量出了发出声音和回声到达相隔的时间。我们已经知道了声音在水里的速度,就很容易算出反射面的距离,换句话说,就是测出了海洋的深度。

  这种测量海洋深度的装置叫做回声测深器,在测量海洋深度的工作上起着极大的作用。应用从前的测深器,只能在船只不动的时候测量,而且要花许多时间。那系测锤的绳要从它缠绕着的轮盘垂下去,而且垂下得相当慢(每分钟约150米);把它从海底提出也是这么慢。因此,要测量3公里的深度,用这个方法就得花3刻钟。如果采用回声测深器,那同样的测深工作只要几秒钟就完事了,而且测量的时候轮船仍旧可以照旧行驶,所得到的结果也比用测锤的方法可靠得多,精确得多。最新的测深工作所得到的误差不超过四分之一米(这时候时间的测量要精确到误差不超过3000分之一秒)。

  如果说深海的深度的精确测量对于海洋学有重大意义,那么,在浅水的地方进行又快又精确可靠的测探工作,是对于航海有真正的帮助的,这可以保证航行安全:由于回声测深器的帮助,使得船只能够大胆而且很快地向岸靠近。

  在现代的回声测深器里,已经不是用一般的声音,而是用非常强的“超声波”,是人的耳朵听不到的声音,它的频率大约每秒几百万次。这样的声音是从放在很快交变的电场里的石英片(压电石英)振动产生的。

  昆虫的嗡嗡声

  为什么昆虫在飞的时候时常会发出嗡嗡声来呢?它们大多数是没有发出这个声音的特殊器官的;这个嗡嗡声是只有在昆虫飞行的时候才听得到,原因是昆虫飞行的时候,每秒钟都要振动它的小翅膀几百次。振动着的翅膀事实上就是振动着的膜片,而我们知道,所有振动得足够频繁的膜片(每秒钟振动数超过16次的),都会产生出一定高低的音调来。

  现在你可以明白,人们是用什么方法知道各种昆虫飞行时候翅膀振动的次数的。这件事情很简单,只要从听觉上判定昆虫发出嗡嗡声的音调高低就行了,——因为每一种音调都是跟一定的振动频率相当的。在“时间放大镜”(见第一章)的帮助之下,人们确定了各种昆虫的翅膀振动次数是几乎不变的;昆虫要调节它们的飞行,只是改变翅膀振动的大小——就是“振幅”——和翅膀的倾斜度;只在受到天冷的影响的时候才增加每秒钟振动翅膀的次数。正是因为这个缘故,昆虫在飞行的时候发出的音调总是不变的……

  人们已经测定了,譬如说,苍蝇(飞的时候发出F调音)每秒钟振动翅膀352次。山蜂每秒钟振动翅膀220次。蜜蜂在空着身子飞的时候发出A调音,每秒钟振动翅膀440次,如果带着蜜飞行,只振动330次(B调)。甲虫飞行时候发出的音调比较低,两翅振动得比较慢。相反的,蚊子每秒钟要振动翅膀500-600次。为了使大家对于上面这一些数目有比较进一步的了解,让我来告诉你一个数目:飞机的螺旋桨,平均每秒钟只转25转。

  听觉上的幻象

  如果我们由于一个什么原因,认为一个轻微的声音不是从近处,而是从很远的地方传来的,那么,这个声音听起来就好象响得多。我们时常可以碰到这种听觉上的幻象,只是不大注意罢了。

  下面这个很有趣的例子,就是一位美国科学家威廉·詹姆士在他著的《心理学》中所描述的:

  有一天深夜,我正静坐着看书,突然,从房子前面传来一阵可怕的响声,接着,响声停止了,一会儿又响起来。我跑到客厅去,想细听一下这个声音,但是没有再听到。我刚回到房里坐下,把书拿起来,那个可怕的声音又强烈地响起来了,就象风暴或者泛滥的河水快要到来一样。这个响声从四面八方传来。我被弄得极度不安,再次走到客厅去,那声响又没有了。

  当我重新回到房里的时候,突然发现,这个声音原来是一只睡在地板上的小狗打鼾时候发出来的!……

  这里有趣的是,一找到响声的真正原因,不管怎么努力,原来的幻觉就再也不会重现了。

  读者可能也会从自己日常生活中回想起同样的例子来。我就不止一次地碰到过这种情形。

  蟋蟀在哪里叫?

  一个发出声音的物体在哪里,我们时常容易弄错的,不是它的距离,而是它的方向。

  我们的耳朵能够很好地辨别枪声是从左边发出的还是从右边发出的。但是假如这声源是在我们的正前方或者正后方,我们的耳朵就时常没有能力辨明声源的位置:正前方放出的枪声,听起来时常象是在后面发出的一样。

  在这种情形,我们只能够根据声音的强度辨别枪声的远近。

  下面是能够使我们学到许多东西的一个实验。叫随便哪一位包起眼睛坐在房间中央,请他安静地坐着不动,也不要把头转动。然后,你拿两枚硬币敲响起来,你所站的位置要总是在他的正前方或者正后方。现在请他说出敲响硬币的地方。他的答案会奇怪得简直叫你不相信:声音发生在房间的这一角,他却会指出完全相反的一点!

  假如你不是站在他的正前方或者正后方,那么错误就不会这么严重。这是很容易了解的:现在他离得比较近的那只耳朵已经可以比较先听到这个声音,而且听到的声音也比较大,因此他能够判定声音是从哪里发出的。

  这个实验同时说明了为什么在草丛里很难找到蟋蟀的原因。蟋蟀的响亮声音从离你两步远的右边草丛里发出。你往那边看去,但是,什么也没有看到,而声音却已经变成从左边传来了。你把头转到那边去,——但是声音又从第三个地点传来了。你的头向声音的方向转得越快,那位看不到的音乐家好象也跳得越机敏。事实上,这只蟋蟀却始终是在同一个地方;它的捉摸不到的“跳跃”,不过是你想象的结果,是听觉欺骗的结果罢了。你的错误就在于当你扭转头部的时候,恰好使蟋蟀的位置在你头部的正前方或者正后方。这时候,我们已经知道,就很容易弄错声音的方向:蟋蟀原来是在你的正前方,你却错误地认为它是在相反的方向上。从这里可以得到一个实际的结论:假如你想知道蟋蟀的声音、杜鹃的歌声以及这一类远地方传来的声音从什么地方发出,千万不要把面孔正对声音,而要相反的,把面孔侧对声音,这样,一个耳朵就正对声音。我们平常说“侧耳倾听”,我们就正是这样做的。

  声音的怪事

  当我们咀嚼烤干的面包片的时候,我们会听到很大的噪音,但是在我们旁边的朋友也正在大嚼同样的烤面包片,我们却听不到什么显著的声音。这位朋友是怎样避免发出噪音的呢?

  原来,这种噪音只有自己的耳朵才听到,你旁边的朋友是听不到的。人体头部的骨胳,跟一切坚韧的物体一样,非常容易传导声音,而声音在实体介质里,有时候会加强到惊人的程度。嚼烤面包片时候的碎裂声,经过空气传到别人的耳朵里,只听到轻微的噪音;但是那个破裂声假如经过头部骨胳传到自己的听觉神经,就要变成很大的噪音了。这儿还有一个同样性质的例子:把你的怀表圆环用牙齿咬起来,两只手掩紧两只耳朵,你会听到很重的打击声,滴答声给加强了许多倍!

  贝多芬耳聋以后,据说就是用一根棒听取钢琴演奏的,他把棒的一端触在钢琴上,另一端咬在牙齿中间。许多内部听觉还完整的聋子,也都能够依着音乐的拍子跳舞,这是因为音乐的声音经过地板和他的骨胳传导过来的缘故。

 

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