海螺里有“大海的声音”么？

中科院物理所 2017-02-06

　　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。

　　（无意做广告，只是陈老师的保温杯是这个牌子的~_~）

　　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），这个空腔构了一个共鸣腔。共鸣腔有自己的一组（注意是一组而不是一个）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一一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。（有种观点认为，我们听到的其实就是经过海螺们过滤的外界“白噪声”）。

　　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。

　　一般来说共鸣腔材质弹性越好，共鸣效果越好（比较少吸收）。所以提琴、吉他、各种管乐器都要找尽可能弹性好的材料来制作。

　　共鸣腔尺寸越大，则所能允许的共鸣频率越低，反之则越高，所以低音提琴的那个“木箱子”就比小提琴大好几号。对于简单的管状共鸣腔，或者说空气柱的共鸣，如果管子是封闭的，那所能允许的最长共鸣波长是它自身长度的4倍，如果管子开放，那所能允许的最长共鸣波长是它自身长度的2倍，对复杂形状的共鸣腔而言情况会复杂些，不过极限基本也可以按照这个计算。至于具体的关系，波速等于波长乘以频率，空气中波速一般按340米每秒计算，声音的频率嘛，钢琴上中央A的频率是440赫兹，其他音大家自己按十二平均律算吧。

　　共鸣腔内的气体密度越大，共鸣频率越低，反之则越高。这个大家可以去看我们在第一季《加油！向未来》里做的实验，小撒在吸入六氟化硫和氦气后声音发生了明显的变化）。

　　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、热力学等一大堆领域，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。老先生还有几个超牛的学生，比如发现电磁波的赫兹，用迈克尔逊-莫雷实验测量光速的迈克尔逊（1907年诺贝尔物理学奖获得者），发明彩色玻璃照相术的李普曼（1908年诺贝尔物理学奖获得者），维恩位移律的发现者维恩（1911年诺贝尔物理学奖获得者）。实在是身不能至、心向往之。

　　怎么想起他老人家呢？你听歌时有没有看到过播放器上常常有个可视化频谱的窗口？我们听到的声音其实都是由很多不同频率的声音合成得到的。而世界上第一个对声音进行频谱分离和分析的就是这位大神，用的是一个有小开口的铜球形成的共鸣器（亥姆霍兹共鸣器）。

　　一不小心扯远了……

　　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。如果我们处在一个声学暗室里（就是一间所有声音都被吸收，几乎完全没有外界声音的环境），把“海螺们”扣在耳朵上，此时还是会听到一些声音，那不再是“海螺”共鸣器过滤的声音，而是通过骨传导感知到的我们自己体内的血流、肌肉、骨骼运动等等的声音了。