想学唱歌?你先把这个玻璃杯震碎

作者: 冯遥

来源: 中科院物理所

发布日期: 2020-11-08 11:15:19

文章探讨了声音的物理原理,特别是关于如何通过声音震碎玻璃以及声音可能造成的更大破坏。文章通过解释声音的频率、共振现象和声波武器的概念,展示了声音的强大力量。

某个结束打工的晚上,小编用着5G网快乐地冲浪时,忽然看到这样一条热搜。作为一个脑补能力满分选手,小编的脑海中立马就有了画面。惊叹一番后,小编望着手里的玻璃杯,陷入了沉思:想要震碎这个玻璃杯,是应该实现音量足够大、还是要做到音调足够高呢?或者说二者都是必要条件?声音除了能够震碎玻璃,能不能造成更大的破坏呢?为了不被楼下大哥提刀找上门来,小编被迫放弃了用实验证实猜想的计划,决定继续冲浪寻找答案。

在物理学上,声音被定义为以声波的形式通过诸如气体、液体或固体之类的传输介质传播的振动。声音的产生需要声源,例如扬声器的振动膜片;声源在周围介质中产生振动,振动会以声速从声源传播开,从而形成声波。声波作为机械波,可以通过诸如空气、水和固体之类的介质以纵波形式传播,在固体中也可以以横波形式传播。声波的传播实质上是能量在介质中的传递。

声音的频率通常以赫兹(Hz)表示,一个赫兹等于每秒一个波,人们普通谈话的声波频率在200-800Hz之间。根据声波频率的不同,可以分为以下几类:频率低于20Hz的声波称为次声波或超低声;频率20Hz~20kHz的声波称为可闻声;频率20kHz~1GHz的声波称为超声波;频率大于1GHz的声波称为特超声或微波超声。

所有物质都有一个固有频率,或者说共振频率,它们在数值上是相同的,但概念略有区别。

当我们给物体施加一个周期性的外界激励时,如果外界驱动的频率和物体的无阻尼固有频率相同,物体振动的增幅最大,这时我们称物体发生共振,外界激励的频率称为共振频率。共振现象能让一座大桥都坍塌,震碎小小一个玻璃杯显然不在话下。

但问题在于,想要震碎一个玻璃杯——哪怕是轻而薄的高脚红酒杯而不是啤酒瓶——只是发出使它产生共振的频率的声音是远远不够的;你不仅需要在一段时间内保持这个音准,而且声音的强度也需要在100-110分贝左右。

小编小时候一直很喜欢一部叫做《丁丁历险记》的动画,以至于一度想拥有一只同款小白狗,带它去世界各地冒险,在一次次化险为夷的奇妙经历中悄无声息地拯救世界,事了拂衣去,深藏功与名。而《丁丁历险记》的某一卷中就提到过可以用强烈声波摧毁城市,虽然危机最终还是被主角有惊无险地化解了,但是“声波武器”自此就在小编心中留下了极为深刻的印象。

事实上,位于荷兰的欧洲航天局(ESA)就有这样可以致命的“声学武器”。这些声学设施是为了用来测试卫星能否承受火箭发射时产生的噪音——众所周知,航天器在发射的时候,为了防止其他设施和航天器本身被发射时产生的声波摧毁,工作人员通常会向发射场的下部喷射一百多万立升水。有人计算过,让一个人的头爆破大概需要240dB,ESA的声学装置最高能产生154dB的声波,虽然无法立刻致死,但也足以爆破耳膜。

声音是造物主给人类众多的奇妙馈赠之一。因为有声音的存在,我们可以在春天聆百鸟啁啾,夏夜听蛙语蝉鸣,秋日闻落木萧萧,冬天察细雪悉簌;也因为声音,音乐这种“全球通用语”才得以存在,我们可以不用语言,只用旋律便能传递自己的喜怒哀乐,人与人之间的悲欢能够相通。所以,与其想着用声音震碎玻璃,不如好好思考怎么才能做到唱歌不跑调。

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