本章要义
声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科。媒质包括各种状态的物质，可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质；机械波是指质点运动变化的传播现象。现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性质，也有量子性质。声学的中心是基础物理声学，它是声学各分支的基础。声可以说是在物质媒质中的机械辐射，机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播。人类的活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所。声学的边缘科学性质十分明显，边缘科学是科学的生长点，因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。
聆听宇宙的“哨音”
美国电话电报公司是当今在国际上500强的企业，这家公司是在1925年由美国科学家贝尔成立的。
1928年，电信工程师卡尔·央斯基来到了这个实验室。
“你负责搜索和鉴别电话的干扰信号，”公司领导对新来的央斯基说，“这样才能更好地改进电话性能。”
央斯基愉快地点点头说：“好的。”
央斯基在单调乏味的工作岗位上，默默无闻、无怨无悔地干了三年，然而他是一个做事非常认真的人，平凡的工作他也干得有声有色。
1931年秋天的一个上午，卡尔·央斯基像往常一样，仔细地接听、辨别接收机里的各种信号。突然，他的耳机里传出一种奇怪的“咝咝”声。
这奇怪的杂音引起央斯基的注意，他心想：“这是什么声音，难道有什么新的干扰吗？”
细心的央斯基发现这种噪音不同于一般噪音，显得很平稳，一直保持着那种“咝咝”的声音，而一般噪音的干扰是不稳定的。
“这里一定隐藏着什么。”他一边想着，一边在心里小声地说。
一般人对一件小事，或者一个细节都很容易忽略，但年轻的央斯基却紧抓不放。这微弱的声音，却对后来的天文学界产生了巨大的影响。
“真是一件怪事，这种干扰信号竟然每隔23小时56分4秒就出现最大值，信号就特别强。”央斯基既非常困惑，又非常惊喜，并对这一“噪音”产生了很大的兴趣，希望能够破解其中的奥秘。
央斯基继续集中精力来监听这一声音。起初，他推测这一微弱的声音可能来自太阳，后来发现这一声音每次总是提前4分钟来临，又推测它不是来自太阳。
“这个来路不明的’客人’到底是谁呢？”央斯基彻夜未眠，他总想找到身份不明的干扰源。
时间一天一天过去了，央斯基的研究仍然没有结果。后来，他去一位朋友那里做客，当他谈及心中的难题时，这位研究天文学的朋友说：
“恒星时的周期比太阳时的周期每天要短4分钟。”
朋友的话就像什么东西刺激了他的神经，让他马上产生了灵感。他想：
“这个奇怪的信号，一定是和某颗恒星有关。这个无线电波一定是来自太阳系以外的一个地方。”
他经过一年多的精确测量和周密分析，终于确认这种“哨声”来自地球大气之外，是银河系中心人马座方向发射的一种无线电波辐射。
这个意外的发现，引起了天文学界的震动，从此，拉开了射电天文学研究的序幕。
“眼界扩展”
广播节目的发送在广播电台进行。广播节目的声波，经过电声器件转换成声频电信号，并由声频放大器放大，振荡器产生高频等幅振荡信号；调制器使高频等幅振荡信号被声频信号所调制；已调制的高频振荡信号经放大后送入发射天线，天线将高频能量转换成无线电波辐射出去。
和尚的心病
在古代，洛阳有个和尚买了一个磬（qìnɡ，形状类似于钟，是能发出声音的乐器）放在房间里。自从这个磬放在房间以后，经常无缘无故地发出“嗡嗡”的声音。这件奇怪的事情在寺庙里渐渐传开了，寺里的和尚都认为这是鬼在作怪。他们想了许多办法要把这“鬼”驱走，但都没有成功。
这时，买磬的和尚也被吓出了病。有一天，他的一位朋友来探望他，这个人是个乐师。乐师拿起磬敲了敲，左看看，右看看，折腾了好长时间也没搞清楚是什么原因，也只好无奈地起身告辞。这时，寺里的大钟响了，那个磬也跟着“嗡嗡”地响起来。乐师看了看磬，紧皱的眉头舒展开了。他笑着说：“你不用担心，明天我来把’鬼’赶走。”
第二天，乐师果真来了，他从怀中取出一把锉刀，在磬的不同地方狠狠地锉了几下。自从锉过以后，那个磬再也没有发出“嗡嗡”的声音。
这时，寺里的和尚都前来问乐师缘由，乐师告诉他们，那是因为寺里大钟的频率和磬的频率一样，产生了共振。把磬锉了以后，它与大钟的频率就不同了，也就不会随便地响了。
“智慧指南”
如果队伍走路的步伐一致的话，也会产生一定的频率，很可能和其他物体产生共振，并且威力有可能大得吓人。队伍过桥的时候，一定不能走正步，就是这个原因。
暖瓶里的歌声
小英在家是个勤劳的孩子，打水、洗碗等家务活全会干。一天，她打水时，无意中用耳朵听了听暖瓶，发现暖水瓶里有声音，她非常疑惑。她打了很长一段时间的水，灌暖水瓶的时候，热气腾腾，很难看清水是否灌满，但是几乎都听得出来，水是不是灌满了。
刚一开始水瓶是空的，水撞击瓶底发出低沉的“咚咚”声，随着水位的升高，声音变得尖细起来。因此，小英通过听声音的变化，就可以准确地知道暖水瓶是不是灌满了。
但这是为什么呢？为了寻求本源，小英找到了自己的物理老师，恰巧他们下周就要上大学课了，老师说：“下周做实验课，我给你解谜吧！”时间很快就到了做实验课了，老师开课前就和同学们说：“让我们先寻找一下这个声音是怎么发出来的。用一支铅笔轻轻地敲一下玻璃瓶胆，瓶胆发出的声音和灌水时听到的完全不一样。看来，那声音不是玻璃瓶胆发出来的。”
同学们都议论纷纷，小英体会最为深刻，她很想得知这瓶胆里还有什么，空气和水？似乎也不像流水发出的哗啦哗啦的声音，“嫌疑犯”就是瓶子里的空气吗？老师说：“别看空气看不见摸不着，但空气是我们这世界中声音的主要发生和传播者。”
老师接着又说：“小英，你现在可以利用这个知识解释灌暖水瓶时听到的声音了。”小英说：“水灌进暖瓶里，扰动了空气，使空气振动，随着水位的增加，上方的空气柱变短，所以音调变高。”
老师说：“现在，我们进一步把这个道理推广开来，便可知道，这也是许多管乐器发声的原理。”
“其实，笛子是用一根竹管做成的，在侧面开了许多孔。吹笛子的时候，用手指堵住不同的侧孔，就能改变音调。堵住侧孔的作用，就是在控制笛子内空气柱的长度。笛子管内空气柱的长度是从吹口处到第一个被打开的侧孔计算的。如果用手指把侧孔全部堵上，空气柱最长，音调最低，把最靠吹口的一个侧孔打开，空气柱最短，这时候音调最高。你再想想，单簧管、双簧管等管乐器，不也是这个道理吗！
原始的号也是一样，这种乐器很长，西藏喇嘛寺举行庆典的时候，吹的法号有十几米长，发出的声音很低沉。如今把号管卷起来，这也是一个聪明的发明。”
一节课之后，小英和她的同学都增长了不少知识。
“眼界扩展”
有趣的是，中国古代学者曾经利用空气柱的长度和体积来统一全国的度量衡。他们选择十二个音律管中的第一根，即黄钟律管，作为度量衡的标准。把它的长度定为九寸，用它作为全国度量衡的基准。各地方都保存着由中央统一翻造的黄钟律管，好随时对照。
谁泄露了秘密
在意大利的西西里岛上，有一个石窟，人们给它起了一个怪名字，叫做“杰尼西亚耳朵”。人们只要站在石窟入口处的某个地方，就能听到很远处窟底的声音，就连很微弱的声音，甚至人的呼吸声都能听到。在古代的传说中，暴君杰尼西尼就把囚犯都关在这里，犯人所说的话都可以被听到，在当时的情况下，他们一直不明白是谁泄露了犯人之间的秘密，后来人们才发现这是声音聚焦的原因。
随着后来科学的发展，哪怕街上有两个人正在低声交谈，远处的人听不清楚他们在说什么，只要屋里的一个人打开一把大号阳伞，伞口对准窗户外面的说话人，在靠近伞柄的地方，谈话声就会变得清晰起来。这是美国某一个商店推出的一种新型的窃听设备。
一个凹面镜可以把阳光会聚到一个点上，声音也可以用一个类似凹面镜的东西会聚在一起。在科技馆里，有相距十几米远彼此相对的大凹面镜，在一个镜子的前面小声说话，站在另一面镜子面前的人就可以清楚地听到说话的声音。这就是声音的镜子。
“知识链接”
天坛的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造。这里只说说天坛圜丘。圜丘是三层的石台，每层都有台阶可以拾级而上，每层台子的周围都安着栏杆。最高层离地5米多，半径15米。
人们登上台顶，站在圜丘的圆心石上喊话，这时听到的声音特别洪亮，秘密在哪里呢？原来台顶不是真正水平的，而是从中央往四周坡下去。人们站在台中央喊话，声波从栏杆上反射到台面，再从台面反射回耳边来；或者反过来，声波从台面反射到栏杆上，再从栏杆反射回耳边来。又因为圜丘的半径较短，所以回声比原来的声音延迟时间更短，以致相混。据测验，从发音到声波再回到圆心的时间，只有0*9郾07秒。说话者无法分辨它的原音与回音，所以站在圆心石上听起来，声音格外响亮。但是站在圆心以外说话，或者站在圆心以外听起来，就没有这种感觉了。
“眼界扩展”
半圆阶梯形的观众台高高地凌驾于场地中心舞台之上。在观众席上，连几十米远舞台上撕纸片这种轻微的声音都可以清晰地听到。古时的建筑师正确地利用了声学的反射与折射及声波聚焦，才创造了此声学奇迹，并且令后人感到敬佩。
声音中的杀手
在20世纪50年代，曾在马来半岛的马六甲海峡上发生了一件令世人大哗的奇案，一艘名叫“乌兰·米达”号的荷兰货船在经过马六甲海峡时，船上的全体船员以及携带的一条狗全部死亡。经调查发现，他们没有外伤，也没中毒的现象，倒像是心脏病突然发作而死亡的。几十年都过去了，侦破工作仍然没有丝毫的进展，直到最近，案件才侦破，你们知道这个杀手是谁吗？那就是看不见、听不着的“次声波”。
次声波是一种声波，它比普通的声音振动得慢一些，每秒钟振动不到20次。因为它振动得太慢，人的耳朵就听不到它了。虽然用耳朵听不到，但它对人体的危害却非常大。专门提供的实验告诉人们，用强力次声波照射人体可能引起感觉失常，人会感到步履维艰，似乎有个力在强迫其旋转，这时眼球也不由自主地转动。在次声波强度很高时——超过100分贝的“响度”——所有这些现象都被观察到了。当“乌兰·米达”号驶过马六甲海峡时，海面发生了强大的风暴，杀手就是次声波。在外界次声波的不断激励之下，心脏吸收了次声波的能量而强烈地颤动起来，由此导致心脏狂跳、血管破裂，最后心脏麻痹、血液停止流动而导致死亡。
“知识链接”
次声源基本上是天然产生的，最近几十年来地球物理学的发展加速了科学家对次声波的研究。
次声波会产生危害，但是也可以被我们利用。由于次声波波长大，容易绕过障碍物而继续传播，因此它能传播得很远，即使“旅行”千里，它的强度减弱也很少。人们可以利用这一特点，以台风为例，台风中心的巨大海浪可以产生8～13Hz的次声波。它以比台风快得多的速度向海岸传来，这样，接收次声波的仪器就可以指出台风的袭击方向和强度，使人们早有准备。
“眼界扩展”
人类周围的次声波：①自然次声。如狂风暴雨、闪电雷鸣、极光放电、流星爆炸、火山爆发以及地震、海啸、台风等都可以发出频率在0.01～10Hz的次声波。②人体次声。人体本身也是次声源，如心脏跳动可发出5～20Hz的次声波。我们称之为人体次声。如高速行驶的卡车可产生次声波，核爆炸、火箭起飞都能产生次声波。
声音不如平常那么清晰了
那时，贝多芬的耳朵已经变聋了，他在暑假时一般都去维也纳附近的乡村避暑。在这里，有贝多芬的好友哈莱曼，他双目失明，也是孤身一人，所以他们经常在一起弹钢琴。
一天晚上，贝多芬正弹着钢琴，坐在一旁倾听的哈莱曼忽然听到二楼上有不正常的声音。他对贝多芬说：“楼上有贼！”便拿出防身的手枪要上楼。贝多芬拉住他说：“你去太危险，还是我去吧！”
“不。你看看二楼有灯光没有？”
贝多芬回答：“一片漆黑。”
“太好了。”哈莱曼说着就上楼去，贝多芬跟在后面。打开二楼的门，一点声音都没有，除了一座大钟的滴答声。贝多芬心想，窃贼在哪里呢？他紧张地在黑暗中搜索目标，突然，哈莱曼悄悄地走过来，向贝多芬比划了位置，随着枪声响了，接着是一声惨叫，有人扑通倒地。贝多芬急忙打开灯，看到窃贼躺在大座钟的前面，屋里的橱子、箱子已被撬开，东西散落一地。他们立即向警察报警。
贝多芬对哈莱曼非常佩服。他问：
“你是怎样知道窃贼的位置的呢？难道你听到他心脏跳动的声音了？”
“不，朋友。虽说盲人的听觉敏锐，可还听不到这么远的心跳声。应该说，正是因为听不到声音才使我知道他在哪里的。”
聪明的贝多芬环顾了四周，又看了看大座钟，恍然大悟：
“噢！我明白了……”
“先生，我的耳朵如能送给你这位音乐家，该多好啊！”哈莱曼感慨地说。
“谢谢你的好意！”贝多芬深受感动，“我虽然聋了，但我要扼住命运的咽喉……”
哈莱曼为什么能发现窃贼的位置呢？因为声音在空气里是从声源向四面八方沿直线传播的，当时，窃贼恰好站在大座钟的前面，挡住了滴答作响的钟摆声，使哈莱曼注意到这时声音不如平常那么清晰了，他以敏锐的听觉，准确地判断出了窃贼在钟前的位置。
“知识链接”
声音是由振动产生的。当你说话时，就引起空气振动，振动传播出去，只要某人的耳朵接收到了这种振动，他就会听到你的声音。声音能够在固体、液体中传播，也可以通过空气或其他气体传播。随着声音的传播，空气中的分子被挤压在一起，接着被分开，然后又被挤压，再被分开，如此反复，就产生了声波。
“名人小档案”
贝多芬：1770年12朋16日出生于莱茵河畔离法国国境不远的小城市波恩，他早期（1792——1802）的创作，比较著名的有《悲怆》、《月光》和《克罗采奏鸣曲》及《第三钢琴协奏曲》等。在这期间，他对社会与政治诸问题又有进一步的理解，已能意识到他努力探寻的目标，从此他的创作进入了成熟时期。中期（1803——1817）创作出大量优秀的作品——第三至第八交响曲，第四第五钢琴协奏曲等。从1818年起，在贝多芬一生的最后10年当中，他又创作了一些么有独创性的作品，包括一些钢琴奏鸣曲和弦乐四重奏《庄严弥撒曲》，还有一部总结了他一生创作活动的《第九交响曲》。
哨音让大家聚在了一起
有两个英国人随殖民军来到非洲掠夺金刚石矿，不巧的是，刚进来就被当地的土著人包围了，被逮到了一间黑屋子里。
“我也想不通，他们是怎样发现我们的呢？为什么一下子过来这么多人包围我们？”矮个子说。
“我们太大意了吗？没有啊，我们一直高度警惕啊！”高个子自问自答，“上一次，我们得手了，只要听到土著人吹哨的声音，就知道他们发现了我们，并且召集他们的人来包围我们。可我们及时撤退了。”
“是啊，他们是用哨音来传信的。”
“经我观察，他们见到外人时，就吹一声长长的哨音告诉其他的土著人；见我们走了，他们就吹两短声，其实他们还挺聪明的。”他们虽然被抓了，但还是看不起土著人。
“这次……看来这个部落的土著人比那个部落更聪明。”
“他们到底是怎样传信的呢？”
“我看见他们在吹放在嘴里的一个东西。”
“是什么东西？”
“看不清。那东西很小，吹的时候好像十分费力，但是听不到声音。吹哨的人还带着一条大黄狗，这狗很听主人的话，跟在后面一声不吭，只是偶尔抬头看看主人。”
“奇怪，人不喊，狗不叫，那么远处的人怎么知道我们来了呢？”
“唉，落得这个下场，也是罪有应得！”
“人家的金刚石，当然不愿意被别人抢走！”
但土著人传消息之谜，他俩始终也没弄明白。
其实，当地土著人也是靠哨音传给远方同伴的，不过，他们用的哨子很小，发出的不是普通的声音，而是每秒钟振动几万次的超声波。
人耳听到的声音，最低是每秒钟振动16次的声音，最高是每秒钟振动2万次的声音，再低再高就都听不见了。但狗能听见超声波，土人训练狗，使它一听到超声波就抬头蹭蹭主人，主人知道情况有变，就吹哨向远方发出超声波，一站接一站，各处的土著人很快都知道了，一起赶来包围偷金刚石的殖民者。
“知识链接”
超声波是频率在20KHz以上的声波，它不能引起人的听觉，是一种机械振动在媒质中的传播过程，具有绑定、定向、反射、透射等特性。它在媒质中主要产生两种形式的振动即横波和纵波，前者只能在固体中产生，而后者可在固、液、气体中产生。
“眼界扩展”
超声提取方法是应用超声波强化提取植物的有效成分，是一种物理破碎过程。超声波对媒质主要产生独特的机械振动作用和空化作用。当超声波振动时能产生强大的能量，引起媒质质点以大的速度和加速度进入振动状态，使媒质结构发生变化，促使有效成分进入溶剂中；同时在液体中还会产生空化作用，即在有相当大的破坏应力的作用下，液体内形成空化泡的现象。
本章小结
声音的力量是无穷的，本章中抒写的智慧和人生情怀，让人有种绵长的回味。看完本章后，你有什么样的感慨呢？
