聲音“魔法”

2020年4月30日清晨，隆隆怪聲響徹英國格羅斯特郡上空。這怪聲像號角也像咆哮，不少當地居民聽到怪聲后頭痛不已，大腦眩暈。劇烈的響動甚至觸發了許多車輛的報警器。

雖然不能確定這種怪聲的來源，但科學家提出了幾種可能性。其一是地震。許多經歷過地震的人都曾聽到過持續十多秒、來自地底的沉悶巨響。如果附近發生地震，這些巨響到達高空后，很可能被云層反射回地面，讓人覺得怪聲從天而降。其二是隕石引發的音爆。許多隕石在距離地面很遠的高空就燃燒殆盡，位于地面的人們無緣得見。不過，隕石高速運動產生的音爆卻能抵達地面，可能造成“號角聲”。

物體振動產生聲音，聲音通過介質傳播。雖然聲音的本質很簡單，但聲學現象卻十分奇妙。

物體振動產生聲音，聲音經介質傳播

回聲定位? ?盲人騎車

丹尼爾是一名能騎自行車的盲人。他騎的車就是普通的兩輪自行車，沒有任何輔助設備，難怪第一次見識到他騎車的人都不敢相信他是一個什么也看不見的盲人。丹尼爾1歲多時因視網膜病變失明。孩童時的他學會了用舌頭抵在上顎，發出“咔嗒、咔嗒”聲。通過感知回聲，他學會了用耳朵去“看”物體的技能，就像蝙蝠一樣。

雖然用耳朵“看”到的信息沒有視覺信息那么豐富，但已經足以讓丹尼爾感覺到物體大致的位置、大小和輪廓。他喜歡到附近的公共綠地散步。當他來到一處涼亭時，他熟練地發出了一連串“咔嗒”聲，然后告訴一旁的記者，他們已經來到了涼亭。他甚至還能通過回聲判斷柵欄是鋁合金的還是木質的。用他的話說，與金屬反彈回的聲音相比，木柵欄的回聲更溫暖、更沉悶。

借助回聲定位技能，丹尼爾甚至可以騎車

類似丹尼爾這樣的“蝙蝠人”在全世界還有許多。為了驗證人是否能學會類似蝙蝠的回聲定位技巧，2021年，英國科學家對若干名盲人和普通人進行了為期2個月的回聲定位訓練。訓練結束后，參與實驗者被要求在一個封閉房間內只通過回聲找到一個巴掌大的圓盤。結果，大多數參與者最終都成功找到了圓盤。盲人在實驗中的表現大大優于被蒙住眼的普通人，而普通人在實驗過程中也聽到了之前無法聽到的回聲。在實驗結束的3個月后，83%的受訪盲人表示，自從學會這招，生活幸福多了。

回聲定位原理圖

寧靜難忍? ?噪聲煩人

英國科學家特雷弗的工作是研究自然界的聲音，他曾經去過的最安靜的地方是一片森林。這片森林遠離公路，附近沒有河流或瀑布，也不在航線的下方，除了零星幾聲鳥叫，再沒有其他任何聲音，安靜得甚至讓人難受。

特雷弗可以清楚地聽到自己的心跳聲和腳踩落葉發出的響聲，一旦停下腳步，他就會立刻被寧靜包圍。他第一次發現安靜并不是好事：他開始耳鳴。當人處于十分安靜的環境時，就容易產生耳鳴現象，這是因為當周圍過于安靜時，腦干中的聽覺系統會放大內耳中毛細胞發出的聽覺信號。為了避免耳鳴，他不得不用力踩落葉，故意制造出一些噪聲。

適當的環境噪聲能讓我們放松，但噪聲多了就會給我們帶來壓力。有研究表明：人在鄉村等較為寧靜的環境中時，體內壓力激素水平較低，此時人是放松的;當人處于城市環境中時，大腦時刻忙于抑制環境噪聲，體內壓力激素水平會升高，讓人難以放松。

太安靜或太吵鬧都會讓人不適

恐怖電影? ?音效嚇人

恐怖電影之所以能嚇壞觀眾，配樂和音效貢獻巨大。許多恐怖片的配樂會用到水琴和角銅鋼鼓這兩種罕見的樂器。在熟練的樂師演奏下，這些樂器發出的聲音讓人毛骨悚然。

為什么這兩種樂器發出的聲音能讓聽者不寒而栗？科學家將這種現象稱為“恐音癥”，也就是我們很難忍受某些特殊的聲音，比如用指甲用力刮黑板產生的吱吱聲。人類對1000～3000赫茲的聲音最敏感?？茖W家做過一個實驗，如果將一段演講錄音中1000～3000赫茲的部分全部抹掉，那么這樣經過加工的演講內容會變得非常難懂。

角銅鋼鼓

水琴

一方面，水琴和角銅鋼鼓發出的聲音大多集中在2200～2700赫茲，剛好處于人的聽覺敏感區域，這讓這些樂器的聲音很容易吸引觀眾的注意。另一方面，這些樂器發出的聲音介于純粹的噪聲與和諧的旋律之間，這種不協調也是造成人不適感的原因之一。

被埋雪中? ?呼喊沒用

住樓房的人多少都體會過來自樓上的噪聲，這是因為樓板是良好的傳聲介質。傳遞到樓下房間的腳步聲經過光滑墻面反射，不但沒有明顯減弱，反而匯聚在一起，讓人更難忍受。光滑的表面有利于聲音傳播，如果要吸收聲音，多孔材料是最好的選擇。

2014年，澳大利亞男子麥克在鐵擂堡滑雪場滑雪時遭遇雪崩，整個人被埋在雪堆中。被埋的他能夠感覺到附近時不時有滑雪愛好者經過，但無論他如何呼喊，就是沒有人回應他的求救。被埋1小時后，他被巡邏隊發現并救出。讓他想不通的是，之前自己明明已經竭盡全力呼喊，為什么還是沒人聽到？

雪地是很好的吸音表面

雪地的吸音效果很好。剛剛堆積起來的雪看似密實，其實雪花與雪花之間充滿空隙。聲波一旦進入雪地，就會迷失在空隙迷宮中，經過多次來回反彈，聲波能量被逐漸耗散，導致聲音有進無出。有實驗表明，雪地的消聲效果可以媲美專業錄音工作室，難怪當時那么多人都沒有聽到麥克的呼喊。

高頻低頻? ?各有用途

在我國的黃山，生活著一種能用超高頻聲波交流的蛙，它們能用最高頻率達120千赫的聲音進行秘密通信，無論是人還是其他動物都無法聽到如此高頻率的聲音。

這種蛙生活的環境中聲響巨大。在豐水期，湍急的河水撞擊在河道中的巖石上發出巨大的聲響，不遠處瀑布的轟鳴更是一刻不停。這些蛙要在如此吵鬧的環境中溝通，有兩種選擇：要么發出洪亮的蛙鳴蓋過水聲，要么用不同于流水噪聲頻率的聲波溝通。對于這些蛙，洪亮的鳴叫聲不但難以蓋過水聲，還會給天敵暴露自己的位置。因此，這些蛙進化出了利用超高頻交流的本領。

一些蛙利用超高頻聲音秘密交流

生活在納米布沙漠的黃金鼴鼠幾乎沒有視覺。白天沙漠如同烤盤，它們就躲在陰涼洞穴中;夜晚沙漠變得涼爽，它們就在沙丘中進行“沙泳”，以尋找食物。除了石龍子，黃金鼴鼠的食物主要是在沙粒中爬行的白蟻?？茖W家通過長期觀察發現，黃金鼴鼠可以聽到微風吹動草葉發出的低頻聲，而如此低的聲音是大多數動物無法察覺的。

為了感知草葉發出的微弱低頻聲，黃金鼴鼠進化出了遠超身體比例的錘骨（聽小骨的一部分）。更大的錘骨更容易和草葉發出的低頻聲共振，也就讓黃金鼴鼠更容易在黑暗中發現草叢。草叢中生活著白蟻、蜈蚣等動物。對于黃金鼴鼠，發現草叢就等于發現了食物來源。

黃金鼴鼠可以感知超低頻聲音

王府戲樓? ?聲學范例

坐落于北京什剎海的恭王府是國內最大的四合院之一，曾是清咸豐時期的恭親王奕?（咸豐帝之弟）的宅院。雖然恭親王是不折不扣的昆腔“粉絲”，但是朝廷嚴令禁止王公大臣前往民間看戲，于是恭親王就在自己家中修建了一座大戲樓，每逢節日就邀請親朋前來賞戲。這座大戲樓占地685平方米，能容納200多名觀眾?？稍谀莻€麥克風和揚聲器還沒有發明并傳入我國的年代，臺下的眾多觀眾怎樣才能聽清楚臺上戲劇演員們的一唱一和，以及樂師們的胡琴鐃鈸聲呢？

恭王府大戲樓的聲學設計可謂十分精妙。首先，大戲樓內沒有大面積堅硬且光滑的表面，木質梁柱都采用外露形式，有效抑制了戲臺聲音在室內多次反彈而形成的混響?；祉憰r間越短，觀眾受到的干擾越小。我國科學家通過實驗發現，恭王府大戲樓混響時間明顯低于同時期類似規模的歐洲歌劇廳。更有趣的是，由于大戲樓內部使用了大量木質材料，在木材料的吸音作用下，臺上演員的唱腔聽上去更加溫柔。

恭王府大戲樓

歌劇廳的防混響設計

其次，埋設在舞臺下方的9口大水缸作為共鳴體，起到了放大戲臺聲音的效果，就像二胡琴筒能夠放大琴弦振動產生的聲音一樣。通過增加或減少缸中的水量，人們還能隨意調節共鳴的強弱。大戲樓的整體演出聲學效果十分優秀——位于最后排的觀眾也能聽得一清二楚。

耳語廊和回音壁

英國圣保羅大教堂的耳語廊充滿了魔幻色彩，因為在這里人們對著墻壁輕聲說出的話能夠被位于回廊另一端的人聽到。耳語廊是一個位于教堂高處的圓形回廊，回廊上方不遠處就是教堂的穹頂。

19世紀，英國著名科學家瑞利解釋了這種神奇現象。耳語廊上方的穹頂表面光滑且平整。人們在耳語廊上發出的聲音被穹頂反射后，能夠以很小的能量損失抵達回廊的另一側。并且，人們的話語聲在經過穹頂反射后會匯聚到位于長廊另一端的一個“焦點”位置。站在這個位置，人們可以更加清晰地聽清對面人的說話內容。

位于北京故宮的天壇也體現了古人在建筑聲學上的造詣。在天壇中央，游客會發現腳下有一塊寫著“三音石”的石頭。三音石名字的由來，是人站在該處拍掌一次，能先后聽到三次聲響。天壇四周的圍墻高且光滑，能很好地反射聲音。只有當發聲和回聲間隔時間超過1/10秒，我們才能辨別出回聲。當游客站在三音石的位置拍掌，發聲和回聲的時間間隔為1/5秒，因此能聽到清晰的回聲，也就是第二聲。當這些回聲再次被圍墻反射回到三音石后，我們還能聽到第三聲。天壇四周圍墻的這種優良的聲音反射特性，使其有了回音壁的美譽。