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第3章 声与波动(3)

我们知道,声音的传播是有一定的速度的。但在日常生活中,比如,你和家人面对面地交谈、欣赏电视节目等等,好像声音一发出,你就听到了。这是由于声源(发出声音的物体)离我们太近了。如果声源离我们远些,比如,看远处的打桩机施工,你就不难发现,汽锤落定后隔一瞬间,你才能听到汽锤与木桩相撞的声音。

声音的传播不但有一定的速度,而且在不同的介质中,声音传播的速度是不同的。例如:声音在空气中大约每秒钟能跑340米;声音在水中的传播速度就达到了1440米/秒;声音在钢轨中的传播速度更快,大约是5000米/秒。而火车的时速一般为100~200千米,也就是说,火车的速度一般在60米/秒之内,比声音在钢轨中的传播速度慢得多。如果距离我们5000米处有一列火车驶来,火车开到我们面前,需要80多秒的时间;如果站立着听,将近15秒才能听到火车的声音;如果将耳朵贴在钢轨上,只需1秒左右就能听到隆隆的火车声。

再说,声音的强度在传播过程中会衰减。声音在空气中传播,声音是传向四面八方的,衰减得很快。当你听到火车声响时,火车已临近,仓猝之间往往酿成惨祸。而由于钢轨对声音的导向作用,声音在钢轨中衰减得较慢。当你把耳朵贴在钢轨上听到火车的声响时,你就知道火车即将驶来,这时,火车离你还很远,你是安全的。

那么,如果用眼睛看呢?光跑得比声音快多了,5000米距离,光只需0000017秒就跑到了!但是,由于地平线的遮掩,薄雾浮尘的荫蔽,轨道的弯曲,山峦、树丛、建筑物的阻挡等原因,我们无法一览无余地看清远在5000米外的火车。所以,要判断远处是否有火车驶来,最简单易行的办法就是把耳朵贴在钢轨上仔细听一听。

用杯做一套仿真编钟

如果你喜欢欣赏音乐,你可以知道许多乐器的名定——扬琴、月琴、琵琶、二胡、钢琴、竖琴、小提琴、黑管等等。你听说过名叫“编钟”的乐器吗?

编钟,是我国古代乐器中的一种。编钟的音调十分庄严、从容、和谐。1978年,我国考古学家在湖北随县(今随州市)的一座战国早期的墓葬中发掘出许多文物,其中一套巨型编钟堪称稀世珍宝。

为什么编钟要用一套大小不同的钟呢?这正是为了要它们发出不同音调的声音来。我们知道,物体在单位时间里振动的次数越多,即频率越高,声音就越尖,或者说音调越高。而频率的高低,又决定于物体的质量、几何形状和大小。这套编钟,大的频率低,发音洪亮而低沉;小的频率高,发音清越而亮亢。每一口钟,都代表一个音调,配合起来,就成了一套乐器。

我们可以用水杯做一套仿真编钟。方法很简单,只要弄一套同样的玻璃杯,水杯里盛入深浅不同的水,再按盛入水的多少顺次排列。这时候,拿一根筷子,就可以敲出不同音调的声音来。

杯子所发出的声音,主要是由于杯壁在振动。这些杯子的形状、大小和质料虽然相同,但是盛水的深浅各不相同,这就是相当于改变了杯壁的质量,因此发出的音调有高、有低。盛水越满,质量越大,音调就越低。请水帮忙还有个好处,就是盛水量的多少可以调节,定音比较容易。经过仔细的校音后,一套仿真编钟就做成了。

“拐弯”的声音

“当,当,当……”我国的首都北京和上海等大城市里,都装有巨大的时钟,每隔一定的时间,准确地向大家报告时刻。

如果你离开大钟的距离比较远,就会有这样的感觉:报时的钟声,夜晚和清晨听得很清楚,一到白天就不太清楚了,有时甚至听不见。有人说:“这是因为夜晚和清晨的环境安静,白天声音嘈杂的缘故。”

这样的解释,只对了一小部分,并不完全。你知道主要的原因是什么?是由于声音会“拐弯”。

声音会拐弯吗?

声音是靠着空气来传播的。可是声音有个怪脾气,它在温度均匀的空气里,是笔直地跑;一碰到空气的温度有高有低时,它就尽拣温度低的地方走,于是声音就拐弯了。

白天,太阳把地面晒热了,接近地面的空气温度远比空中来得高,钟声发出以后,走不多远就往上拐到温度较低的空中去了。因此在一定距离以外的地面上,听起来不清楚,再远,人们就听不见这个声音了。夜晚和清晨,刚好相反,接近地面的气温比空中来得低,钟声传出以后,就顺着温度较低的地面推进,于是人们在很远以外也能清晰地听到钟声。

声音的这种脾气,会造成很有趣的现象。在炎热的沙漠里,地面上的温度高极了,在50~60米以内,有人在大声呼喊,只看见嘴在动,却听不见在喊什么,这是由于喊声发出后,很快就往上拐到高空去了。相反,在北方的林海雪原里,地面的温度比起高空来低很多,声音全都沿着地面传播,因此人们大声呼叫时,能传播得很远,甚至在1~2公里外也能听见。

如果某个区域接近地面的大气温度变化得很厉害,这里高、那里低,那么声音拐到空中以后又会往下拐,往往造成非常奇怪的现象。1923年荷兰的一座军火库爆炸,在100~160公里地区内没有听到,可是在1300公里的地方却听到了,这就是声音在空气中多次拐弯造成的现象。

逼真的立体声

你在看宽银幕电影的时候,一定会觉得比看普通电影更为逼真,有一种身临其境的感觉。

宽银幕电影的银幕比普通电影宽大些,人物、场景也相应的大一些,这固然是我们看起来觉得有真实感的一个因素,事实上,它的立体声伴音也起了不小的作用。

什么是立体声伴音?为什么要用它呢?

我们生活的空间当然是立体的,日常生活中听到的声音来自四面八方。人的双耳具有一种本能,一听到声音,就能够分辨它是从哪里出来的——-也就是能够判断声源(发出声音的人或物)的位置。如果你看到一个人在你左前方或右前方讲话,而你听到的讲话声却好象是从正前方传来的,你觉得奇怪吗?普通电影就是这样的。

我们看普通电影时,不但能分辨出人和物在左右上下方面的位置,也能区别人和手的远近位置。可是它的伴音却是从一个固定地点的喇叭里发出来的(即使有的影院用两个或更多的喇叭,但发出的是同一个声音,效果和一个喇叭差不多)。你看,分布在银幕上不同地点的人和物发出的声音,都从同一个喇叭放出,这不跟真实的情况有区别吗?只要听众稍加注意,就会感觉出来。宽银幕电影的银幕比普通电影宽不少,人物的距离也相应地加大了。如果仍用和普通电影一样的伴音,那么银幕上的声源和伴音声源(喇叭)相跑很远,就觉得更不真实。

为了使宽银幕电影的伴音听起来有立体感,必须要让传入左右两耳的声音有明显的时间差别和响度差别。要达到这两项要求,就要改变一般电影的发音方法。

假如我们在发出声音的人或物的前面几个适当位置(彼此间有一定距离)上,放几个话筒,那以它们收到的声音在时间和响度上就有差别。如果把各个话筒收到的声音分别录下来,然后在电影院也在相应的位置上放同样数目的喇叭,分别把这些录音重放出来,听众听到的声音就有立体感了。

经验证明,录音时用左、中、右三个话筒,录下三条音就够了;放映时也用三个喇叭,分别放在左、中、右三个位置,就能产生相当好的立体声效果。这道理并不复杂,因为发出声音的人或物靠近左边时,左边的话筒收到的声音最强,中间的次之,右边的最弱;重放时,也是左边的喇叭发出的声音最强,中间的较弱,右边的最弱。虽然是三个喇叭同时在发声,观众听起来就觉得声音是来自左边。如果发声的人或物在中间(或靠近右边),情况也是类似的,重放时就觉得声音来自中间(或右边),因此就产生了立体声的效果。

近来,电视也在试行采用立体声伴音;不久的将来,立体声伴音也可能在电视中广泛应用。

光波和电波谁跑得快

如果有人问你:“光波和电波谁跑得快?”你大概会想,当然是光波跑得快口罗!谁都知道,光波是世界上跑得最快的东西,它的传播速度是30万千米/秒,1秒钟就可以绕着地球跑上七圈半呢!

我们再来看看电波吧。电波就是电磁波,电台和电视台就是通过发射电磁波,将精彩的节目送到千家万户的,我们一打开收音机或者电视机,就能立刻收听到或收看到远在几万千米之外的现场节目;移动电话也是利用电磁波来传递信息的,通过移动电话,你和远方的亲人或朋友讲话,就像近在身边一样。看来,电磁波的速度也一定很快吧?是的!科学家测出:电磁波的传播速度也是30万千米/秒,一点不比光波慢!

电磁波和光波的速度相等,纯粹是一种巧合吗?当然不是!1865年,英国物理学家麦克斯韦就用他的方程组,计算出了电磁波的速度和光速相等,并据此大胆预言:光就是一种电磁波。光怎么会和电磁波扯到一块儿去了!我们能看到光,却没有听说过能看到电台、电视台发射的电磁波。其实,这是由于它们的频率不同的缘故。人眼能看到的电磁波只是一个很窄的范围,只有频率在41亿~77亿兆赫的电磁波才能引起人的视觉,这就是我们眼睛可以看见的可见光。比可见光频率高的电磁波依次是紫外线、X射线、γ射线,而比可见光频率低的电磁波是红外线、微波、无线电波等,这些电磁波都无法引起人的视觉,我们的眼睛是看不到的。

电台和电视台发射的电磁波,恰恰是频率从几百千赫到几万兆赫的无线电波。像上海人民广播电台990千赫,使用的是频率为990千赫的电磁波;而调频FM1037兆赫,使用的是频率为1037兆赫的电磁波。它们的频率与可见光的频率相差很远,所以眼睛根本无法看到。

既然光和电台、电视台发射的电波都是电磁波,只不过两者的频率范围不一样,而电磁波的传播速度和频率无关,因此光波和电波的速度相等就是理所当然的事情了。

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