“捕捉”振动

□文/南京市玄武高级中学 张军

声音是由物体振动产生的，固体、液体、气体都能振动发声。但是,物体的振动很难用肉眼直接观察到。比如，标有“440”字样的音叉被敲击后，每秒振动440次，眼睛根本看不清楚。物理上用频率来描述物体振动的快慢，每秒振动440次，频率就是440赫兹；每秒振动100次，频率就是100赫兹。并不是所有的振动都能引起人的听觉反应，20 ~ 20 000赫兹的声波传到人耳时才能被听觉感知，这就是我们听到的声音。低于20赫兹的叫次声波，高于20 000赫兹的叫超声波。大象、水母、鳄鱼能对次声波产生听觉，蝙蝠、海豚能对超声波产生听觉，狗既能听到次声波也能听到超声波。

今天，我们就通过几个有趣的实验，来“捕捉”这些看不见的振动。

如何看见音叉的振动

在科学研究中，有些现象难以直接观察，可是这些现象引起的其他现象却容易观察，我们就可以通过观察那些显而易见的现象，来间接地感知不容易观察的现象，这种方法叫作转换法或者转化法。通过测量容易测得的物理量来间接测量不容易测量的物理量，也是转换法。

我们可以用多种方法来“转化”音叉的振动。

方法一：接触水面。水花溅起，表明音叉在振动；没有振动的音叉是不会激起水花的。把这两种现象放在一起对比，这叫比较法（图1）。

方法二：触碰绷紧的纸面。纸面随之振动，发出我们能听到的声音。如果纸面振动的规律和我们说话时声带的振动规律相同，我们就能听到纸片“说话”了（图2）。

方法三： 靠近弹性小球。用透明胶带把线固定到乒乓球上，让悬吊的乒乓球靠近音叉，结果乒乓球被弹开了（图3）。但请大家注意，乒乓球被弹开的次数并不是音叉振动的次数！

方法四： 触碰手指甲。手指甲会有麻麻的感觉，这种感觉非常奇特，触碰一次能让你终生难忘（图4）。

刚才的转化中，有通过视觉转化的，比如溅起的水花、弹开的小球；有通过听觉转化的，比如纸面振动发声；有通过触觉转化的，比如手指甲有麻麻的感觉。

敲锣打鼓背后的科学

现在我们来敲鼓，鼓面振动发出了声音。但是，鼓面的振动难以观察，我们就可以使用转换法。在鼓面上放一些轻小的物体，比如纸团，比如泡沫小球，比如米粒，鼓面振动时，会让这些轻小物体跳动起来，而且鼓面振幅越大，轻小物体跳得越高（图5）。我们可以说，这些轻小物体把鼓面的振动“放大”了。我们给“放大”加了一个引号，表示我们并没有让鼓面振动得更厉害，只是现象本身更容易观察了。

但是，请大家注意，轻小物体跳动的次数也不等于鼓面振动的次数！

请同学们再准备一只高脚杯，我们可以通过敲击、摩擦等方式让它振动发声。敲击，大家都很熟悉了，但是摩擦未必都知道。左手按住杯脚，右手食指蘸些水，在杯口轻轻摩擦，大家就能听到玻璃杯振动时发出的声音了。蘸水的目的是调节手指与杯口间的摩擦。现在往杯子里加水，再来听一听声音，音调变低了。把水加多一些，再来摩擦，音调会更低。我们仔细观察一下水面，水面上有很多细小的、密集的波纹，这就可以显示玻璃杯的振动了（图6）。振动具有周期性，我们看到的波纹也有一定的周期。我们甚至可以看到溅起的水花，这是因为振动需要能量的激发，同时振动本身也带有能量，这种能量还可以向外传播。

以敲锣为例。槌的敲击对锣面造成扰动，锣面振动的同时发出声音。振动的锣面压缩或远离周围的空气，在空气中形成疏密相间的振动，声音就向四周传播了。当空气的振动传导到我们耳朵中的鼓膜时，鼓膜跟着振动，而且振动的频率与锣面振动频率相同，我们就听到了锣声。也就是说，振动从锣面传到鼓膜，是通过空气来传递的，我们把空气叫作传声介质。固体、液体、气体都可以传声，它们在传声的同时也必定在振动。

我们用纸杯和线可以自制“土电话”。这个“土电话”靠线传声，线是传声介质，在传声时线也在振动。当线松弛或者线在中途被捏住时，就无法把振动传给听筒，便听不到声音了（图7）。

花样游泳运动员在水下听到的音乐，是安置在泳池里的扬声器发出的，声音通过水传到运动员的耳朵。这时，水是传声介质，在传播声音时，水也在振动。

而真空中没有物质随着声源振动，所以真空不能传声。

振动从锣面传到耳朵非常快。在20℃的室温条件下，声音在空气中每秒大约传播343米，这比大多数喷气式飞机都要快。

“捕捉”空气传声时的振动

那么，我们能“捕捉”到空气传声时的振动吗？答案是可以的，同样可以用转化法。

拨动橡皮筋，橡皮筋振动，将声波传到我们的耳朵，我们听到了声音。空气传声时也在振动，我们可以“捕捉”到这种振动。用线把泡沫小球串起来，悬挂在空中，空气传声时发生的振动或者疏密的变化，会导致这些泡沫小球动起来。拿着橡皮筋在泡沫小球附近弹拨一下，就会看到泡沫小球动起来（图8）。

我们也可以找两个纸筒，能找到金属筒更好。纸筒一端蒙上气球皮，另一端开口。将两个纸筒的开口端相对，保持3厘米左右距离。用手指弹击一个纸筒的橡皮膜，另一个纸筒上的橡皮膜会把筒口的泡沫球弹开（图9）。这样我们就知道，空气将振动从一个纸筒传到另一个纸筒里，并带动了橡皮膜的振动。这同时也说明了声音具有能量。

我们也可以用烛焰的晃动来转化。将纸筒开口端对准蜡烛的火焰，弹击橡皮膜，几乎是听到声音的同时，会看到火焰晃动。这时如果用纸蒙住开口端，在纸中间开个小洞，会让声能集中一些，在弹击橡皮膜时，烛焰晃动会更明显，甚至会熄灭（图10）。这就是声波灭火。消防员使用声波灭火时，声音的频率一般控制在20~50赫兹，而且强度比较大。

有趣的共振知识

生活中在振动的物体很多，它们所激发的声波在空气中传播。每时每刻都有大量的声波在空气中传播，我们就生活在声波的海洋里。但是，这些声波并不都能引起我们的听觉，因为有的是次声波，有的是超声波。即使是频率处于20~20 000赫兹的声波，如果振幅非常小，也很难被我们听到。那么，有没有办法“捕捉”到这些声波呢？

先了解一下共振的知识。大家再来研究一下音叉的振动发声。当我们把音叉插在鸣箱上敲击时，感觉声音很大；但是，将音叉从鸣箱上取下来，用同样大小的力再去敲击，听上去声音就小得多了。为什么呢？自然界所有物体都在振动，它们都有自己的一组固有频率，这是由它们的材料和结构决定的。当外界传来的声音频率与物体固有频率一致时，会导致物体的振幅增大，反映在听觉上则是声音变大了或者说响度变大了。把音叉插在鸣箱上时，箱体发生了共振，所以听上去声音大得多。在乐器中，这种共振又叫作共鸣。所有的乐器都带有共鸣腔，你也可以把它们理解为音箱，用来将声音的响度变大。笛子的笛腔、二胡的音筒、吉他的中空体等，都是共鸣腔。陶笛的共鸣腔小，而钢琴的共鸣腔特别大。事实上，中空体都可以用作共鸣腔，材料越坚硬，内壁越光滑，声音在腔体内的反射越充分，共鸣的效果就越好。我们人类也是自带共鸣腔的，当声带振动时，口腔、鼻腔、咽腔、胸腔、腹腔、颅腔等，都能发生共鸣。声带振动本身产生的声音音量很小，但是经过口腔、鼻腔等共鸣后，音量就大得多了。我们说话时，每个人的腔体共鸣比例都不一样，所以发声的音色也各不相同。

现在我们来观察一下共振现象。找两个频率相同的音叉，分别插在两个鸣箱上，让鸣箱的开口端相对。敲击其中一个音叉，另一个音叉也会因为共振而发出声音。当小球靠近另一个音叉，会被弹开（图11）。我们也可以说，音叉被敲击后产生的声波，在传播过程中被另一个频率相同的音叉给“捕获”了。改变鸣箱之间的距离，听到的声音大小也有差别，因为两个音叉发出的声波发生了干涉，导致空气中有的地方振动得到加强，有的地方振动被减弱。

两个色空鼓，每个金属片上都标记了唱名，相同的唱名频率是相同的。如果敲击标记“2”（唱名为re）的金属片，“re”音传播出去，会让另一个色空鼓上标记“2”的金属片发生共振（图12）。

其实，随便拿个纸盒，或者杯子，或者其他容器，对着它们说话，手都能感受到它们的振动。因为它们都有自己的一组固有频率，而我们发出的声波频率也很丰富，总会有某些频段和容器的某个或某几个固有频率相同，从而发生共振。

将空纸杯放在耳朵边，可以听到里面的声音，纸杯与空气中传播的声波发生了共振。换个容器放在耳朵边，听到的声音就不一样了，因为共振的频率变了。这样利用不同的容器，我们就可以“捕捉”空气中不同的振动（声波）了（图13）。最简单的方法是卷个纸筒，也能“捕捉”到空气中的声波——放在耳朵边，你能听到纸筒里的声音。改变纸筒的长度、粗细，或者把另一端堵起来，你“捕捉”的声波就不同了。

现在，让我们用纸杯来做个共振演示器。

将两个纸杯口相对，用双面胶粘到一起，竖立放置。在下面纸杯的杯壁上开个洞，插个容器进去作为“话筒”，比如纸杯、塑料瓶、纸筒等（图14）。

在上面的纸杯底部放一些轻小物体，比如泡沫小球、吸管碎屑。是的，我们又要使用转化法了。为了防止这些轻小物体“跑掉”，我们在纸杯底部罩上一个透明的塑料杯。现在对着话筒叫喊，纸杯也会振动，手可以感受到，杯底的轻小物体也会动起来。当装置的固有频率和你叫喊的声音频率一致时，共振便发生了，这时纸杯底部的振幅达到最大，轻小物体也将“手舞足蹈”地大幅度跳动，热闹非凡（图15）！