海螺里有“大海的声音”么?

作者: 陈征

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-02-06 10:14:24

本文探讨了将海螺或其他物品扣在耳朵上听到的“嗡嗡”声的来源,解释了共鸣腔的原理及其在声音过滤中的作用,并提到了骨传导系统的存在及其在听觉中的作用。

今天有个中学生问我:“声音是振动产生的,那把一个保温杯扣在耳朵上听到的“嗡嗡”声是由什么振动产生的呢?” 想了半天也没能把答案简化成两三句话,还是让我从头说起吧。

好像不论中外,很多民间传说都有“把海螺放在耳边能听到大海的声音”的说法。这么重要的传说,陈老师当然是试过的,除了海螺,陈老师还试过杯子、瓶子、管子自己的手等等各种各样能扣在耳朵上的东西。基本都能听到“嗡嗡”声,只是具体的音调和音色大同小异。这个声音听上去不太像海浪的波涛声,更像是一种风呼啸的声音。

海螺也好、杯子也罢,亦或是其他类似的东西。

他们共同的特点就是有一个很大的空腔(当然是相对而言),这个空腔构成了一个共鸣腔。共鸣腔有自己的一组固有频率,和它的固有频率相符的声音会在腔内得到共振加强,而其他频率的声音则会在一次次碰到腔壁反射时被削弱、吸收掉。我们从海螺、杯子等等共鸣腔中听到的声音,其实并不是它们自己发出的,而是环境中的风声雨声读书声、喧哗声、装修声、汽车声、火车声等等声音进入共鸣腔后被共鸣腔选频过滤后的结果。

简单说来,“海螺”们并不是声源,而只是一个外界声音过滤器。

共鸣腔其实是个很常见的东西,提琴、吉他的那个大木箱子,各种笙管笛箫、唢呐、大小号圆号之类的管乐器、歌唱家的颅腔、口腔、胸腔(传说中的三腔共鸣)等等都是。共鸣腔的固有频率和腔的大小、形状、材质(主要是材料的弹性性质)、腔内的气体(主要是气体密度)等等因素有关。

说到这里突然想起了一位前辈大神,德国的物理学家、数学家、生理学家赫尔曼·路德维希·斐迪南德·冯·亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz,1821~1894),他的研究横跨了生理学、光学、电动力学、数学、热力学等领域,而且在每个领域的成就都够别人干好几辈子的。

比如到处都能看见的拿来制造匀强磁场的亥姆霍兹线圈、医院里大夫给你看眼底时用的眼底镜、再比如这世界的基本规则之一——能量守恒定律,都是这位老兄的成果。

回到我们的问题,为什么只有在把“海螺”们扣在耳朵上时才能听到“嗡嗡”声呢?主要原因有二,一是有效隔离了外界的声音,从而使原来被淹没的那些符合共鸣腔共振频率的声音被显露出来。二是这些东西本身都是开口的,扣在耳朵上时才形成一个较为封闭的结构,除了能更好地隔离外界声音外,共鸣器的选频放大效果也会显著提高。

此外,我们人的听觉除了靠空气传入鼓膜、耳蜗的气传导途径外,还有通过骨骼传递的一套骨传导系统(听说过骨传导耳机么?)。只是这套系统灵敏度很低,平时基本都被气传导的外界声音淹没了。当外界声音被降低到一定程度的时候,骨传导的声音也会显露出来。

好了说了这么多,还是动手试试吧。换换不同的“海螺”,看看听到的声音有什么不同吧:)

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