如果没有它，人类就无法听到声音的传播-返朴的财新博客-财新网

“如果深潜器们下到海中完成的是大海捞针的任务，那么声学系统则是完成这项任务的定海神针。”

撰文 | 张志博（中国科学院声学研究所研究员）

说到声音，大家一定并不陌生。

声音在我们身边无处不在，与我们的生活息息相关，但是真正说到有关声音的科学知识，恐怕不是每位同学都能了如指掌吧。

今天就请跟随我一起重新认识一下声音，这位我们身边既熟悉又陌生的朋友，了解一下与声音有关的科技，同时我们也会去认识一下自然界那些应用声音的高手们。

初识声音

我们首先来看一下声音的定义，物理学上，声音是由物体振动产生，通过介质传播，并能被人或动物的听觉器官所感知的波动现象。

短短的一句话，把声音的产生、传播及感知表述得清清楚楚。

声音是由振动产生的，我想大多数同学是清楚的，但是你们是否真正注意到过这种振动呢？

振动的音叉在水的表面会形成水花，在慢镜头下，各种乐器翩翩起舞，龙洗盆的双耳被摩擦时，其内部的水花会激荡起来，同时产生奇妙的声响。

“看着”这些声音，是不是感觉很奇妙？

声音是以波动的方式向周围传播的，这种传播离不开介质，介质可以是固体、液体或气体。

如果周围没有介质，声音还能传播吗？

眼见为实，我们将闹钟放入一个密闭的容器中，视频左上角是一个压力表，它表示这个密闭容器中的气体的压力。

我们将这个容器中的气体逐渐抽干，大家会注意到，压力表的值也逐渐在降低。

这证明空气越来越稀薄了，当这个压力值接近于最低点时，这里边就几乎接近于真空了。

此时大家注意听，是不是听不到声音了？

这时我们就会发现，我们能看到闹钟的钟锤在敲击，却听不到声音，是不是很有意思的现象呢？

所以，当没有介质时，我们就听不到声音的传播了。

这个小实验过后，我们再来说一说声音的感知。说到声音的感知，大家第一印象就是耳朵，没错，就连我们古汉字中的声字都有耳字旁。

但是我们平时经常说的耳朵，其实只是我们听觉系统的一个部分，那就是外耳。完整的听觉系统还包括内耳、中耳。

整个听觉系统使我们将声音从物理振动转化成大脑中的信息，最终我们就能分辨出来这是一个人在说话，还是一段美妙的音乐了。

我们为什么能听到丰富多彩、各不相同的声音呢？

这就要从声音的三个特性说起了，它包括声音的响度、音调和音色。

这三个特性如果组合好了，就可能是一段美妙的音乐，如果组合不好，那可能是一段扰人的噪声。

科学上根据声音的音调，也就是频率不同，将声音分成三个部分。

频率低于20赫兹的声音，我们称之为次声，频率高于20000赫兹的声音，我们称之为超声。

这两部分声音，人类是听不见的，人类能听得见的是从20赫兹到20000赫兹之间的这部分，叫做可听声。

科技之声

我们简要地了解了一下，有关声音的知识，那么声音到底给人类，带来哪些好处呢？接下来我们一起去了解一下有关声音的科技。

同学们要做的是学习已知的知识，而科学家们要做的是探索那些新的知识，并将科学知识转化成科学成果，造福人类的生活。

同学们如果注意观察，会发现在我们身边有很多产品与声音的技术有关。

例如超声波牙刷，它就利用了超声清洗的特性，可以将牙齿清洗得更干净，就连那些藏污纳垢的死角也难以逃脱。

同样的原理，超声清洗仪也是利用超声波的振动，将物体表面的污垢清除干净，既高效又彻底。

在医院里，B超仪已经是非常普遍的医疗用具了，从普通的身体检查到孕妇的胎儿检查，都离不开B超仪。

B超仪则是利用了超声的穿透力，在不损伤皮肤和肌肉的情况下，就能够穿透身体，“照射”在内脏器官上，同时形成反射波。

我们处理分析反射波，并形成图像，就可以了解身体内部的情况。

现在的汽车上，倒车雷达已经是非常常见的部件，倒车雷达虽然名字里有“雷达”两个字，但它用的并不是无线电波，它用的其实也是超声波。

它正是利用超声波探测物体，从而发现障碍物的物质和距离，为我们的行驶和停车提供安全保障。

应该说声学科技在我们身边覆盖面很广，应用非常广泛，以上都是十分常见的应用。接下来我再给大家介绍几个不那么常见的。

广场舞扰民的问题经常见诸报端，引起热议，现在我们可以将可听声调制在超声上，使声音具有更强的指向性。

说得通俗一点，就是使声音让更少部分和更小范围的人听到，其他范围的人听不到。

有了指向性扬声器，特定区域里的人就可以听着音乐载歌载舞，而其它区域里的人就可以不受这些音乐的干扰，享受安静的生活了。

博物馆、图书馆等需要安静场合的场所，也是指向性扬声器的用武之地。

在高铁的车厢里，其实应用了很多降噪技术，但是乘客们还是希望能够享受更加私密安静的环境。

于是，科研人员将主动降噪技术应用于座椅的头靠上，通过采集设备采集到周围噪声的信号，然后生成与噪声振动相反的声波，从而抵消噪声的影响，这样就真正给乘客一个安静私密的空间了。

此外，当同学们置身于华丽的音乐厅时，是不是也会有疑问，这里有没有与声音相关的科学知识呢？

不但有，而且很多。

建筑声学是一个非常专业的科学领域，小到墙上贴的吸声材料，大到整个建筑物的结构设计，都与各种声学设计息息相关。

只有考虑到各种声学因素，才能使人们在音乐厅里听音乐时达到最好的效果，如此一来才能给你一段真正的“绕梁三日”的音乐之旅。

也许你想不到，在石油勘探行业里，声学技术的应用也十分广泛。

科学家们利用人造的地震波对地层进行探测，通过分析处理反射波，知道地层结构，从而确定哪里可能有石油，哪里可能有矿产。

当然，声音除了可以检查人类的身体外，还可以检查物体的“身体”，因此，超声探伤就应运而生了。

尤其对那些金属物体和重要的零部件，它们不便于拆解或破坏，所以通过声音的手段对其内部进行探查，利用超声的穿透力发现这些物体内部是否有裂缝，是否有损伤。

例如对于铁轨的超声探伤，就可以保证列车行驶得更加安全，对于重要的零部件进行超声探伤，就保证了机器运转得更加安全可靠。

声音在水下的应用也非常重要，声纳就是水下设备的“千里眼”和“顺风耳”。

2020年11月10日，我国自主制造的深海载人潜水器“奋斗者”号，成功坐底世界最深处的马里亚纳海沟，最深的深度达到了10909米。

这一壮举让我们举国兴奋，从“蛟龙”号到“深海勇士”号，一直到现在的“奋斗者”号，它们是如何在漆黑一片、暗礁林立的深海中行动自如的呢？

它们依靠的正是各种声纳系统。

假如在一个伸手不见五指的漆黑夜晚，你驾驶着一辆汽车，行驶在茫茫的荒野中，你最想知道什么呢？

我在哪里，我该怎么走，我如何与家人联系。

深海的潜水器们也要回答这几个问题，它们正是通过先进的水下声学系统，完成了深海中的导航、定位和通信。

在海水中为什么要用声音呢？

海水是电的良导体，电磁波在水下的衰减非常厉害，因此在水下利用无线电是不大现实的。

而光学手段在水下又变成了“近视眼”，它的观察范围也不过几十米，因此，在深海中进行远距离的通信、定位和导航，声学手段就成了最佳的方式。

在这些深潜器上，到底都有哪些声学设备呢？

这是“蛟龙”号上的声学系统的分布图，“奋斗者”号上也安装了大致这几类声学系统。

有跟水面进行通信的水声通信机，有进行海底地形地貌探测的高分辨率测深测扫声纳，有用来探测前方目标物的防止发生碰撞的成像声纳。

有用来测量潜水器对底速度的多普勒声学测速仪，还有用来测量周围物体距离的避碰声纳，以及用来对整个深潜器在水下位置进行定位的超短基线定位声纳。

水下的通信机可以将深潜器的各种参数回传至母船，还可以在母船和深潜器之间建立语音通信，甚至可以将深潜器采集到的图像实时传到后方。

利用测深测扫声纳及成像声纳，还可以对海底的地形地貌进行探测和成像，为深潜器在深海中航行提供安全保障。

同时，这些地形地貌数据也为后面的科学研究提供了科学的数据和依据，更为难能可贵的是，“奋斗者”号目前的声学系统实现了完全的国产化。

如果深潜器们下到海中完成的是“大海捞针”的任务，那么声学系统则是完成这项任务的“定海神针”。

自然之声

说了这么多人类的声学科技，我们再回到大自然中，看一看自然界那些应用声学手段十分高超的能手吧。

首先我们来看一看大象有什么非凡的本领。

安哥拉下一场暴雨，就会吸引150公里以外纳米比亚的大象前来饮水，这是为什么呢？

暴风雨形成时，会产生低频的声波信号，也就是次声波，而大象可以接收这类次声波，于是数百公里以外的大象就寻着次声波前来饮水。

除此之外，大象甚至可以用脚踏地的方式产生一些低频的信号，用这些低频信号进行远距离的通信，好像人类打长途电话一样。

蝙蝠则是利用超声波的高手，蝙蝠可以发出超声波，这些超声波打在物体上或猎物身上，形成反射波。

蝙蝠们分析这个反射波，就可以知道猎物或者物体的位置或距离，从而实现在漆黑的夜空中灵巧飞行，迅猛地捕捉猎物的本领。

在大海深处也有一位利用声学技术的高手，那就是海豚。

海豚的额头有一个特殊的部分，可以产生声波，这个声波发出后，遇到物体形成反射波。

海豚再利用下颚的部分接收反射波，于是它就知道了对面的物体或猎物的具体位置。

于是在茫茫的大海深处，海豚就可以自由遨游，敏捷地捕捉猎物了。

除了这些动物，海洋中还有一种小动物，它也是利用声学的高手。

接下来，我为大家带来一段小评书，来讲一讲它的故事。

深深海底安个家，枪不离身闯天涯，空化气泡威力大，一言不合把枪拔。

话说这大海深处是藏龙卧虎，人才济济，会利用声音的高手是层出不穷，今天，我就给大家带来了一位小精灵——虾。

这位同学就说了，这虾我可熟悉呀，齐白石笔下的虾，那是栩栩如生啊，这麻辣小龙虾那是美味诱人呐。

但你们是有所不知，今天我要说的可不是普通的虾，这位可以称得上是虾中的怪杰，江湖人送绰号：海底小枪手。

它是谁呢？它就是枪虾。

说枪虾怪是一点儿不假，因为枪虾拥有极不对称的一只大螯和一只小螯，体长5厘米左右的枪虾，大螯就占了身体的近一半。

而且这还是把天然的手枪，只不过打出的不是子弹，而是水弹。

大螯快速闭合挤出水流，速度高达每小时100公里左右，这要是在咱北京的四环路上跑，早就超速了。

大螯还能形成一种特殊的“气泡子弹”，气泡崩裂瞬间，能形成80千帕的高压和210分贝的声响，这是个什么概念呢？

80千帕，相当于是8米多高的水柱压力了，210分贝，就这么说吧，真正的枪声也不过150分贝左右。

科学家们还发现，枪虾打枪时还能发光，气泡子弹崩裂瞬间，其内部温度可以激增至4500摄氏度左右，这几乎是相当于太阳表面的温度了。

枪虾的气泡子弹声、光、热、冲击波，样样俱全，要击晕那些小鱼小蟹，简直是易如反掌。

其实在枪虾的枪的背后，还蕴藏了一个特殊的物理学现象，就是空化现象。

当液体中间的压力突然变化时，溶于液体中间的气体就会形成一个个极其微小的低压气泡，这些就是空化气泡。

这些气泡迅速膨胀，又快速塌缩，直至崩裂，崩裂的瞬间就能形成冲击波、声响、局部的高温高压甚至是发光现象。

这些气泡跟我们平时说的普通气泡又有什么区别呢？让我们看一个对比实验。

家用的鱼缸加氧机能产生又多又大的气泡，而超声清洗机在超声波的持续作用下，会形成很多细密微小的气泡。

我们将相同材质的锡箔纸分别放入这两个容器中，三分钟后观察。

我们会发现鱼缸中间的锡箔纸受到大气泡的作用却毫发无损，而超声清洗机中间的锡箔纸已经被这些微小的气泡打得千疮百孔，体无完肤。

其实，超声清洗机中间的小气泡和枪虾的气泡子弹一样，都是空化气泡，所以威力惊人。

那么空化气泡有什么作用呢？

正如上文说到的，超声清洗机正是利用了空化气泡的冲击力，将物体表面的污垢除掉。

但它也有不利的一面，例如螺旋桨在旋转时，也会产生空化气泡，久而久之，这个螺旋桨就会被空化气泡损伤，严重的时候甚至会造成航行事故。

这小小的枪虾不简单吧？小小的空化气泡更是让我们大开了眼界。

好了，今天这一回，我们暂且说到这里，说天说地说科学，做人做事做普及，要知后事如何，且听我下回分解。

本文经授权转载自微信公众号“格致论道讲坛”。

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