在海边沙滩上捡起海螺壳,放到耳边,就可以听到像“海浪”一样的声音。这是大海悄悄告诉你的故事吗?实际上,海螺中的声音是周围微弱背景声的放大。像这样的工具,在物理学中被称为“亥姆霍兹共鸣器”。亥姆霍兹共鸣器是由德国物理学家和生物学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)在1850年设计并命名的。
最初的目的是在复杂的噪声环境或音乐中分辨出不同频率和音调的声音,作用类似于频谱分析仪。它的结构很简单,就是一个开了小口的空腔,开口处插上一个短管,开口的面积要远小于整个空腔的表面积。共鸣器的声音来自于短管内空气柱的振动。当外界空气的扰动让空气柱往腔体内移动时,就会压缩腔体内的空气。接着,腔体内增大的压力又会推动空气柱向外移动。
而这又让空腔里的空气膨胀,从而使压力减小,产生的压力差又会让空气柱向腔体内移动。当外面的扰动一直存在,管口空气柱就会一直往复振荡,从而发出声音。简单地说,空腔内的空气相当于是弹簧,管口的空气柱相当于一个质量块,共鸣器就形成一个单自由度的振动系统。当外界的激励频率同共鸣器的固有频率相同时,就会产生共振现象,共鸣器固有频率处的声音放大,也就是所谓的“亥姆霍兹共振原理”。
当你把海螺贴在耳边时,海螺和耳边的缝隙对应着短管,海螺本身坚硬弯曲的内表面则是能很好地反射声波的空腔,因此就形成了天然的亥姆霍兹共鸣器。其实,不用海螺,换成普通的杯子或是饮料瓶,都能听到类似的声音。亥姆赫兹共振原理除了可以解释海螺里的声音外,还跟生活中的很多现象有关。
比如坐车时,稍微打开一点侧窗或是天窗,有时候会引起巨大的噪声,这种现象被称为“侧窗/天窗抖振”(side window/sunroof buffeting)或者“风悸动”(wind throb)。引起这种现象的原因也是亥姆霍兹共振。开了侧窗或是天窗,整个汽车就形成了一个亥姆霍兹共鸣器,当外界激励频率同车内形成的共鸣器固有频率重合时,就会产生巨大的噪声。亥姆赫兹共振原理还可以用于降噪。
我国的工程师通过在载人火箭的整流罩中放置亥姆霍兹共鸣器,利用空气的振动消耗声能,降低了整流罩内的噪声。