聲音的資料誰知道？

【專家解說】：有關(guān)聲音的資料 夜半鐘聲到客船——談聲音和波的傳播 月落烏啼霜滿天，江楓漁火對(duì)愁眠。 姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船。 這是唐朝人張繼寫的詩《楓橋夜泊》。張繼是天寶十二年（公元753年）的進(jìn)士，他作的詩傳世的不多，在詩壇上也不算第一流的大家，但他的這首詩卻入選在歷朝歷代的唐詩選中，成為膾炙人口的絕唱。 對(duì)于這首詩，歷史上有不少人評(píng)論，都認(rèn)為很美。宋朝歐陽修在他的《詩話》中卻提出了一個(gè)問題，他說：“唐人有人云：半夜鐘聲到客船，說者亦云句則佳矣，其如三更不是打鐘時(shí)?！睔W陽修肯定了詩句之佳，然而三更是否打鐘時(shí)，頗引起后人的一番議論。南宋初的王觀國在《學(xué)林》中寫道：“世疑半夜非鐘聲時(shí)，觀國案，《南史》文學(xué)傳丘仲孚，吳興烏程人，少好學(xué)，讀書常以中霄鐘鳴為限。然則半夜鐘固有之矣?！焙髞砟纤稳~夢(mèng)得在他的《石林詩話》中說：“歐公嘗病其半夜非打鐘時(shí)，蓋未嘗至吳中。今吳中寺，實(shí)夜半打鐘。”他們說明早在唐以前的南朝，晚在唐以后的南宋，蘇州一帶都有半夜打鐘的習(xí)俗。歐陽修的指責(zé)，不過是少見多怪而已。 與此同時(shí)，人們還找出在唐詩中談到半夜鐘聲的詩，張繼而外，還大有人在。如比張繼早的張說，就在《山夜聞鐘》詩中有：“夜臥聞夜鐘，夜靜山更響。”在于鵠的《送宮人入道歸山》詩中有：“定知?jiǎng)e后宮中伴，應(yīng)聽維山半夜鐘?！卑拙右子校骸靶虑锼捎跋?，半夜鐘聲后。”溫庭筠有：“悠然旅思頻回首，無復(fù)松山半夜鐘?！标愑鹩校骸案羲茡P(yáng)午夜鐘。” 讀著這許多詩句，我們可以想象，那悠揚(yáng)的夜半鐘聲，可以從山上傳到客船，可以隔河傳到彼岸。更進(jìn)一層，在皇甫冉的詩句里有：“秋水臨水月，夜半隔山鐘?！边@使我們可以想象那悠揚(yáng)的鐘聲甚至可以隔著一座山傳過來。 唐詩中不僅有這么多的詩寫到半夜鐘、夜半鐘、午夜鐘，還有寫到夜間的笛聲、琴聲。如于鵠有：“更深何處人吹笛，疑是孤吟寒水中?！卑拙右子校骸敖虾稳艘勾档眩柯暵曀茟浌蕡@春。”白居易還有一首著名的長詩《琵琶行》詩句開頭幾句用“秋索索”、“江浸月”交代了秋天和月夜的背景，然后說：“忽聞水上琵琶聲”，再就是“尋聲暗問彈者誰”，說明白居易同那位彈琵琶的人還是隔著一段距離的，所以需要“尋聲暗問”，最后才得以“千呼萬喚始出來，猶抱琵琶半遮面”，才有“同是天涯淪落人，相逢何必曾相識(shí)”的一段故事。在唐詩中很少有人寫白晝、正午的鐘聲、笛聲、琴聲。這絕不是單純?yōu)榱俗非髢?yōu)美的詞句而“遞相沿襲”。宋代人說“恐必有說耳”，意思是說：這么多人寫半夜鐘聲，怕自有它的道理。從張繼的“楓橋夜泊”到現(xiàn)在已有1200多年了，在這段漫長歲月中，科學(xué)的發(fā)展證實(shí)張繼等人的寫法非常符合科學(xué)道理。在這許多詩句中，概括了一個(gè)科學(xué)事實(shí)：夜間的聲音傳得遠(yuǎn)。 夜間聲音為什么會(huì)傳得遠(yuǎn)呢？一種說法是：夜深人靜了，背景噪音小了，人更易于分辨遠(yuǎn)處傳來的聲音。這當(dāng)然是一個(gè)因素，但它不是最主要的原因，這得從聲音是怎樣地傳播說起。 首先，聲音是聲源的振動(dòng)擾動(dòng)了空氣，擾動(dòng)以波的形式往出傳。設(shè)想聲源是地面上空的一個(gè)點(diǎn)，空氣中的波是以它的密度不同往外傳遞，如果空氣中各點(diǎn)的聲速是相同的，由這個(gè)點(diǎn)傳出的聲波的波前是一個(gè)球面，聲音傳播的方向認(rèn)為是和波前垂直的方向即半徑的方向?，F(xiàn)在設(shè)聲音在大氣中不同高度傳播速度不同，這時(shí)波前就不再保持球面，而發(fā)生畸變；相應(yīng)的，聲音傳播方向也不再是球半徑的方向，而是拐了彎，這種聲音傳播道路拐彎的現(xiàn)象，也稱為聲折射現(xiàn)象。白天同夜間，聲音傳播遠(yuǎn)近不同，就是由這個(gè)折射現(xiàn)象產(chǎn)生的。 其次，在地面附近空氣中，聲速c（m／s）和溫度t（℃）的關(guān)系，可近似表為 c＝（331.45＋0.61t／℃）m•s-1 就是說在地面上溫度每升高一度，聲速增加約0.61米／秒。 我們?nèi)祟惢顒?dòng)在貼近地面的大氣里，在高度20千米以下，大氣的溫度變化十分復(fù)雜。白天，由于地面接受太陽輻射溫度升高，靠近地面大氣層比稍高的氣層溫度高，也就是說近地聲速大于高空。這時(shí)聲音傳播路徑折向高空，在適當(dāng)?shù)牡胤竭€可以形成聲靜區(qū)，即對(duì)遠(yuǎn)處發(fā)出的什么聲音都聽不見（圖1（a））。這時(shí)，由于聲傳播路徑折射向高空，如果坐在氣球上便會(huì)聽到格外清晰的氣球下面地面的發(fā)聲，坐在氣球里的張繼也許會(huì)來上一句“正午鐘聲到氣球”。在夜間，靠近地面空氣逐漸冷下來了，上空的氣溫相對(duì)高，結(jié)果高空聲速比地面大，因而聲音會(huì)向地面折射（圖1（b））。這就是夜間聲音相對(duì)遠(yuǎn)的道理。在寒冷的天氣，尤其在結(jié)了冰的湖面或未結(jié)冰的水面上，即使在白天，由于地面溫度低，聲音向地面折射的效果也十分明顯?！霸侣錇跆渌獫M天”，在詩里張繼寫的是晚秋天氣，不僅是夜半鐘聲，而且是晚秋天氣的夜半鐘聲，不就格外清晰了嗎？真可謂“秋聲半夜真”（轉(zhuǎn)引自錢鐘書《談藝錄》）?？梢娞拼娙擞^察得多么仔細(xì)。由于“秋”和“半夜”這雙重的因素加在一起，皇甫冉的詩句：“秋水臨水月，夜半隔山鐘”就顯得非常現(xiàn)實(shí)了，只有在這樣的條件下，聲音才能通過折射從山那邊傳過來?，F(xiàn)在，住在鬧市區(qū)的人大概都有這樣的體驗(yàn)，對(duì)馬路車輛行駛造成的討厭的噪聲，白天除了臨街的樓房外，大多感受不到，而到深夜，即使只有一輛車駛過，也會(huì)攪得你睡不好覺，甚至隔幾座樓還可以聽到，可以說是“夜半噪聲擾眠床”吧，它和“夜半鐘聲到客船”是同樣的道理。 用現(xiàn)代科學(xué)的方法研究聲音，大約在張繼《楓橋夜泊》詩后的1000年。那時(shí)，在歐洲有一種說法：“英國的聽聞情況比意大利好?！?704年，兩位認(rèn)真的人：一位是英國牧師 W．德勒，一位是意大利人阿韋朗尼，他們合作對(duì)兩地的聲音傳播情況進(jìn)行了實(shí)測，結(jié)果證實(shí)兩國的聲音傳播情況差別不大。較早測量聲速的是1636年法國人M．梅森，而后于1738年，法國科學(xué)院測得了比較準(zhǔn)確的聲速。 談到大氣中聲音的傳播，我們應(yīng)當(dāng)提到清朝的康熙皇帝愛新覺羅•玄燁（1654～1722年）。他是一位既聰明又博學(xué)的政治家。在他的隨筆《幾暇格物編》中，記載了一則他所做的關(guān)于槍聲的實(shí)驗(yàn)，題目是“雷聲不過百里”。他說：“朕以算法較之，雷聲不能出百里。其算法：依黃鐘準(zhǔn)尺寸，定一秒之重線，或長或短，或重或輕，皆有一定之加減。先試之銃炮之屬，煙起即響，其聲益遠(yuǎn)益遲。得準(zhǔn)比例，而后算雷炮之遠(yuǎn)近，即得矣。朕每測量，過百里雖有電而聲不至，方知雷聲之遠(yuǎn)近也。朕為河工，至天津駐蹕，蘆溝橋八旗放炮，時(shí)值西北風(fēng)，炮聲似覺不遠(yuǎn)，大約將二百里。以此度之，大炮之響比雷尚遠(yuǎn)，無疑也。”從玄燁的話里，看出他做實(shí)驗(yàn)很精細(xì)。所說的“黃鐘”是古時(shí)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)音階，它的律管長九寸徑九分，可以當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)長度。至于定1秒之重線，很可能使用的單擺擺長周期為1秒。定好了量測時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，后面的測量就不難進(jìn)行了。他的實(shí)驗(yàn)，和大致在同時(shí)代法國科學(xué)院于1738年測聲速的辦法差不多。只不過玄燁沒有提出聲速的概念，而得到的是比例的概念，玄燁說的“得準(zhǔn)比例”，便是現(xiàn)今單位時(shí)間內(nèi)聲波走的距離，也便是聲速?？上从浵碌玫降谋壤嵌啻?。 關(guān)于聲的折射現(xiàn)象，到了19世紀(jì)，歐洲學(xué)者才定量地研究了溫度梯度與聲折射效應(yīng)的關(guān)系。后來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，要了解大氣中聲折射的復(fù)雜現(xiàn)象，就得要有一張聲速沿高度變化的圖。即聲速作為距地面高度的函數(shù)關(guān)系。據(jù)現(xiàn)在人們的實(shí)測和理論計(jì)算，這個(gè)函數(shù)關(guān)系簡略地可表為圖2。從圖2我們可以解釋許多大氣中聲音傳播的有趣現(xiàn)象。我們看到從B點(diǎn)到地面數(shù)千米內(nèi)，白天到晚上速度梯度相反。它可以解釋地面聲音晚上比白天傳得遠(yuǎn)的原因，已如前面所說。 我們還看到，這條曲線拐了幾個(gè)彎。注意聲速局部極小處C點(diǎn)，在這個(gè)高程上發(fā)聲，任何方向的聲音都會(huì)折射彎向水平。因?yàn)閺腃點(diǎn)往上看，它的梯度正好和夜間地面上聲速梯度一樣，從C往下看，也是遠(yuǎn)離C的高度聲速變大，所以無論怎樣，聲音都會(huì)彎向過C的水平線。就是說，這個(gè)高程，聲音傳得特別遠(yuǎn)，稱為聲道。而具有聲速極大值的D點(diǎn)，則相反，當(dāng)聲音傳播接近它時(shí)，有一部分會(huì)折射返回聲波來的那一側(cè)，猶如波的反射。 夏天打雷，總是在閃電之后。閃電只是一瞬間的事，也許不到千分之一秒?？墒且淮伍W電之后，往往雷聲隆隆不絕，要持續(xù)好一段時(shí)間。這原因就是由于沿高度聲音反射，有時(shí)來回若干次，就像在山谷中喊一嗓子聽到的不斷回聲。事實(shí)上，夏天雷雨前，聲速分布比圖2要復(fù)雜得多。這時(shí)由于近地的風(fēng)、云，聲速分布不僅沿高度變化，沿水平也變化，會(huì)造成極復(fù)雜的聲折射現(xiàn)象。 在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪現(xiàn)象。一門不斷發(fā)射的大炮，當(dāng)有人驅(qū)車從數(shù)百千米外的遠(yuǎn)方駛向它時(shí)，起初聽到炮聲隆隆，但駛得更近時(shí)，在一段路上卻聽不到炮聲。原因是，起初聽到的炮聲是大氣反射的波，更近些是靜區(qū)，再靠近又聽到從大炮直接傳來的聲波。 風(fēng)對(duì)聲音的傳播是有影響的，聲音的速度在順風(fēng)和逆風(fēng)時(shí)不同。順風(fēng)時(shí)，是靜止空氣中聲速c加上風(fēng)速，而逆風(fēng)時(shí)要減去風(fēng)速。但是風(fēng)速沿不同高度的分布是增加的，而且近似地按指數(shù)增加。高空風(fēng)速大，貼近地面小，于是逆風(fēng)時(shí)，高空聲速小于地面聲速；順風(fēng)時(shí)高空聲速大于地面聲速，這樣，在刮風(fēng)時(shí)，順風(fēng)時(shí)聲音的折射猶如夜間，而逆風(fēng)聲音折射猶如白天。這就是為什么在刮風(fēng)時(shí)聽人講話，站在下風(fēng)處聽得格外清楚，也就是荀子在《勸學(xué)》中所說的：“順風(fēng)而呼，聲非加疾也，而聞?wù)哒谩钡牡览怼? 前面談到的玄燁所做的聲速實(shí)驗(yàn)，的確很仔細(xì)，他甚至沒有忽略他在天津聽到蘆溝橋炮聲時(shí)刮的是西北風(fēng)，可見他已經(jīng)意識(shí)到風(fēng)對(duì)聲音傳播會(huì)產(chǎn)生影響。他當(dāng)時(shí)處于下風(fēng)，所以聽得較遠(yuǎn)。然而夏天打雷的時(shí)候，恰好天空溫度較低，聲音一般向天空折射，玄燁所以聽不到超過百里以外的雷聲，很可能他是處于聲靜區(qū)。聽到聲音與否，不僅同雷炮二者發(fā)聲的能量有關(guān)，還同聽者所處的地方和氣象條件有關(guān)。設(shè)想玄燁聽炮聲是處于上風(fēng)頭，聽到的炮聲未必會(huì)比雷聲距離遠(yuǎn)。所以還不能就一般地說：“大炮之響比雷尚遠(yuǎn)，無疑也。” 聲在水中的傳播也類似于在空氣中的傳播。二次大戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)了海水深層存在聲道，在那里聲波可以傳播數(shù)千千米。這個(gè)現(xiàn)象受到很大重視，因?yàn)橛盟梢员O(jiān)視敵方潛水艇的動(dòng)態(tài)，它至今還是水聲學(xué)技術(shù)應(yīng)用的重要課題。 聲在固體中傳播要復(fù)雜一些，但也無非是折射反射現(xiàn)象。近代精密儀器可以測出在地球另一邊發(fā)生的地震和核爆炸。依靠多點(diǎn)測量可以推算它的大小和準(zhǔn)確位置。 利用人工爆炸，聲在固體中傳播的折射、反射，并收集這些訊號(hào)加以分析，還可以用于地質(zhì)探礦。既然波的傳播和速度有關(guān)，而速度又和介質(zhì)的密度有關(guān)，所以收集各個(gè)方向傳來的聲波可以從中分析出介質(zhì)的密度。這種技術(shù)的應(yīng)用稱為聲全息。 要深入了解這些技術(shù)的細(xì)節(jié)，在力學(xué)學(xué)科中有一個(gè)研究方向，稱為分層介質(zhì)或不均勻介質(zhì)中的波和波動(dòng)問題的反問題。聲音是一種波，光也是一種波，在不均勻介質(zhì)中，光波也會(huì)折射，它們都是同一個(gè)道理?！昂Ｊ序讟恰爆F(xiàn)象就是光折射造成的。 “夜半鐘聲到客船”是1200多年前的詩句，詩句概括的科學(xué)事實(shí)不斷為后來的科學(xué)發(fā)展所證實(shí)。人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)逐漸進(jìn)步著，我們沐浴在科學(xué)發(fā)展的薰風(fēng)化日之中。當(dāng)我們反復(fù)吟誦這優(yōu)美的詩句時(shí)，又怎能不嘆服這詩句的語言美和科學(xué)美的完整結(jié)合。千年來日益發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，不正是對(duì)這詩句作更為精細(xì)詳盡的注解嗎？ 問：大象和人比，誰的方位感比較強(qiáng)？為什么？ 解：兩只耳朵可以分辨聲源的方向主要有三方面的原因。一是對(duì)同一聲音，兩只耳朵感受到的強(qiáng)度的不同。假如聲源在右方，則右耳聽到的聲音就比左耳強(qiáng)。這種響度的差別，在實(shí)踐中就形成了辨別方向的感覺。這時(shí)，我們會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)頭顱，直到兩耳聽到同樣的響度為止，此時(shí)聲源便處在我們的正前方或正后方。二是對(duì)同一聲音，兩只耳朵感受到的時(shí)間有先后。假如聲源在右方，右耳比左耳離聲源近，聲音傳來，右耳先聽到，左耳后聽到。這個(gè)聲音到達(dá)右耳和左耳的時(shí)間差別，同樣在實(shí)踐中形成了聲源方向的感覺。時(shí)間差別越大，越易辨別，感覺越準(zhǔn)確。在這一點(diǎn)上，大象比人更有利，因?yàn)樗膬芍欢溟g的距離比人的大得多。三是對(duì)同一聲音，兩只耳朵感受到的振動(dòng)的步調(diào)有差別。由于聲音傳到兩耳有時(shí)間差別，因而兩耳感受到的振動(dòng)的步調(diào)也就不同，這樣就會(huì)引起方向感。不過這種情況對(duì)低頻聲音較為有效，因?yàn)楦哳l聲音振動(dòng)快，在兩耳聽音的時(shí)間差內(nèi)很可能聲音又振動(dòng)了一個(gè)或幾個(gè)全周期，這時(shí)兩耳感受到的振動(dòng)步調(diào)又是一致的了，而低頻聲音的周期長，較難得到同步。 狗可分辨極為細(xì)小和高頻率的聲音,而且對(duì)聲源的判斷能力也很強(qiáng).它的聽覺是人的16倍,當(dāng)犬聽到聲音時(shí),由于耳與眼的交感作用,所以完全可以做到眼觀六路,耳聽八方.晚上,它即使睡覺也保持著高度的警覺性,對(duì)半徑1公里以內(nèi)的聲音都能分辨清楚.更讓人難以置信的是它可以區(qū)別出節(jié)拍器每分鐘震動(dòng)數(shù)為96或100次,133次與144次.狗對(duì)于人的口令和簡單的語言,可以根據(jù)音調(diào)音節(jié)變化建立條件反射.特別注意的是沒有必要對(duì)狗大聲叫喊,過高的聲音或音頻對(duì)他來說是一種逆境刺激,是它有痛苦,驚恐的感覺,當(dāng)然在他犯錯(cuò)誤時(shí),可以提高聲音來管教它.