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裁判必备的哨子,竟然来源于足球场上的一次意外

撰文 | 张志博(中国科学院声学研究所)

2022年冬奥会来了,除了摩拳擦掌的运动员们,裁判的存在也十分引人注目。

一声哨响,精彩登场!

小小的哨子,吹响的是运动员的碰撞与激情,肩负的是体育的公平与公正,承载的是观众的关注与期望。

 

图片来源:央视网

 

小小的哨子是如何走上体育竞技场的?小身板如何拥有大嗓门?

 

裁判手里的哨子,

其实来源于足球场上的一次意外

 

最早的哨音来自于足球比赛。最开始的足球比赛,裁判员只是一个无足轻重、可有可无的角色,裁判没有哨子,控场基本靠吼。

那么大的竞赛场所,中间是运动员的喧闹声,四周是球迷们的喝彩声和嘘叫声,裁判员的声音常常被嘈杂的声音覆盖,他不能进入运动场内,只能在场外大声吆喝、拼命喊叫。

因此,比赛往往会出现这种场面:场外的裁判员声嘶力竭,场上的运动员毫无反应!大家来算算,当时裁判员的心理阴影面积有多大?

1875年,在英国伦敦举行的一场足球赛中,由于意外的情况和偶然的巧合,产生了世界上最早的裁判哨音(划重点)。

在这场比赛中,双方球员对一个进了球门的球是不是有效产生了争议。球迷们为了袒护自己声援的一方,纷纷涌进球场内,比赛也因此停滞,眼看有可能酿成一场大混战,如果不及时制止,就可能会出现人命事故。

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《股票口哨,伦敦,1909年一月》丨图片来源:Bashny.Net

碰巧,担任这场比赛的裁判员是一名警察,面对混乱不堪的局面,出于警察的职业习惯,情急之下他吹响了警笛。闹事的观众们听到了警笛声,立刻自觉而迅速地退到了观众席上,运动员也顿时安静下来,整个球场的混乱秩序在警笛声吹响后很快便稳定下来。

这种意想不到的效果,使人们认识到了哨子的作用,此后哨子便成为了裁判员的工具,并从足球比赛扩展到了其他项目的体育运动中。

 

小小哨子,

为什么能发出这么大的声音?

哨子的历史悠久。早期人类即发现有孔的葫芦或兽骨可以发声,于是开始有了类似的乐器。古埃及人也曾把小贝壳制作成哨子。

哨子是一种依靠边棱振动发声的气鸣乐器。气鸣乐器,顾名思义是指以空气为激振动力而发声的乐器。

在气鸣乐器中,其发声方式主要有边棱音和簧振动两种。

当气流以一定的角度冲击吹孔对面的锐棱,气流分隔为两股交替分裂的旋涡而形成空气层脉动,这个声源带被称为边棱音。

 

边棱音产生示意图丨图片来源:作者绘制

 

空腔则通过共振放大声音,也就是通常所说的“空气柱共振”。脉动的空气层犹如“空气簧”,激发管内空气柱共振,同时也受空气柱振动的影响。

在相互影响中,呈现出一种“强者制约弱者”的现象。在此,空气柱振动强于柔软的“空气簧”,以致前者在较大程度上对后者起调制作用,将其频率强加于后者。

这类乐器的声音,实际由两个声源(边棱音和空气柱共振)混合而成。而我们所听到的,主要是管出口端辐射的声音,其音高源自空气柱振动。

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笛子的发声原理丨图片来源:作者绘制

 

而簧振动则是由簧片的振动而发音的。当气流进入簧片微张的缝口时,在气流压力影响下形成簧片周期性的闭合,从而激发空气柱产生振动。

哨子的发声频率受多种因素影响,其中最主要的因素是哨子的形状。而在哨子的形状中,哨子内最大尺寸是主要因素。吹哨子时,流过哨子口的气流速度也会影响哨子的发声频率,气流速度越大,发声频率越高。此外,改变出气口尺寸也可以改变哨子的发声频率。

 

从“豌豆哨”到“无核哨”:

裁判哨子的进化史

在现代体育赛场上,各种现代化、电气化的体育设施层出不穷,但裁判手中的哨子基本还像原来一样“朴实无华”。

“豌豆哨”作为各种体育比赛的裁判用哨,已经有100多年的历史。它的原理十分简单:将软木加工成豌豆状小球,植入哨子体内,在吹奏时气流会形成边棱音。

气流被哨子出口缝隙锋利的边缘分割成两部分,一股直接从缝隙冲出发出声音,另一股则在腔体内回旋并推动小球,当气流从缝隙冲出时就会再次加强声音。同时,小球的来回运动会扰动气流,使哨子发出独特的、清脆的声音。

但是,这种传统的“豌豆哨”也存在着弊端。

其一,内部小球的运动限制了哨子发声的力度,在人声鼎沸的运动场上,哨音常常被现场的各种噪声所淹没,进而影响比赛的正常进行;

其二,由于豌豆球的体积较小,如果小球被弄湿或冻住,就会影响其运动,从而影响哨音。

如果吹哨时用力不当,很容易使豌豆球卡在哨壁中,导致哨子发不出声音,俗称“哑哨”。而这是比赛当中的重大事故,甚至会导致比赛中断。曾经有裁判就因为“哑哨”而遭到狂热球迷的殴打。

于是,对“无豌豆”哨子的呼声越来越强烈。加拿大人查克·谢泼德(Chuck Shepherd)、罗恩·福克斯克罗夫特(Ron Foxcroft)等人,根据长期的摸索发现:

要想发出和“豌豆哨”一样的声响,需要三个腔室,还分别需要一个高音、低音和中音部位,经过复杂的合奏,才能发出尖锐的声音。

后来,他们从教堂管风琴的腔室中找到了灵感,摸清了设计原理,并造出了原型哨。

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三腔“无豌豆”哨的发声原理丨图片来源:作者绘制

再后来,他们又想到了一个惊人的创意:将腔室像折纸一样折叠起来,这样便可以大大缩小哨子的体积,也使得它具有了实用性。

腔室折叠后增强了声音传播的集中性,这样的哨子发音强度远大于传统的“豌豆哨”!现在,我们已经能在很多的大型比赛上看到这种“无豌豆”的哨子(也称无核哨)

三腔“无豌豆”哨(无核哨)实物丨图片来源:FOX40官网

让我们共同期待北京冬奥赛场上那一声声嘹亮的哨音吧!

本文经授权转载自微信公众号“科学大院”。



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