什么！神奇海螺竟然是“直播達(dá)人”？

01

從海螺里聽到的，是血液流動的聲音嗎？

有人說，海螺里聽到的聲音是血液流動的聲音，因為當(dāng)海螺貼在耳朵上時，會將血液流動的聲音放大。

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不妨讓我們再來做個小小的實驗。在同一聲場環(huán)境下，讓同一個人在正常狀態(tài)下和劇烈運(yùn)動之后聽海螺，比較聽到的這兩個聲音，并沒有明顯差異，聲音沒有因為劇烈運(yùn)動而變得更尖銳或更響亮，這表明海螺里的聲音不是人體血液流動的聲音。

02

海螺里的聲音來自哪里？

那么海螺以及類似的小容器里聽到的聲音，到底來自哪里？

我們同樣可以做一個小實驗來進(jìn)行驗證。找到大小不同的幾個杯子，分別慢慢靠近耳朵，在杯子口將貼未貼到耳朵的某一位置時，我們能聽到類似“大?！钡穆曇?。用不同大小的杯子，聽到的聲音略有不同。

杯子越大，聲音越低沉；杯子越小，聲音越清亮。我們聽到的聲音是杯子對環(huán)境噪聲的過濾，此時杯子可以看作一個聲音的過濾器，專業(yè)上稱為濾波器。

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綜上，海螺里的聲音不是大海的聲音，而是海螺過濾的所在聲場環(huán)境的噪聲。如果是在海邊聽海螺里的聲音，你聽到的主要是過濾之后大海的聲音。如果是在大海之外的其他聲場環(huán)境下，海螺里聽到的就不是大海的聲音。

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03

海螺原來是個直播“達(dá)人”

海螺里的大海聲，并非來源于它的原生態(tài)記憶，而是對當(dāng)下聲環(huán)境的現(xiàn)場直播。海螺的直播，依靠了物理學(xué)上一個常見的現(xiàn)象——共振。共振指兩個振動頻率相同的物體，當(dāng)一個物體發(fā)生振動時，引起另一個物體振動。在聲學(xué)領(lǐng)域，共振被稱為“共鳴”，指物體因共振而發(fā)聲的現(xiàn)象。

海螺、小碗、杯子等是容易引起共振的物理系統(tǒng)，當(dāng)聲音頻率和腔體本征頻率一致，就會產(chǎn)生共鳴，使聲音放大，這時將其放到耳邊就能聽到“大?！钡穆曇?。

當(dāng)演員的聲音頻率與玻璃杯的本征頻率相同時，玻璃杯就會因共振而破碎。動圖來源：《加油向未來》

用于演示共振現(xiàn)象的音叉。圖片來源：中科院聲學(xué)所

德國物理學(xué)家、生物學(xué)家（Hermann von Helmholtz）1850年設(shè)計命名的亥姆霍茲共鳴器，其原理類似于通過海螺來聽“大?！钡穆曇簟：ツ坊羝澒缠Q器的設(shè)計理念是通過共振原理，分辨噪聲或音樂中不同頻率或音調(diào)的聲音。

亥姆霍茲共鳴器的原始形狀就是一個有細(xì)頸或小口的容器，環(huán)境中的聲音引起空氣擾動，因空氣彈性形變導(dǎo)致壓力變化，推動容器細(xì)頸或小口處的空氣柱往復(fù)運(yùn)動，這個不斷振蕩的過程，就會發(fā)出聲音。海螺和亥姆霍茲共鳴器都屬于口小腔大的結(jié)構(gòu)，其發(fā)聲原理也相同。某種意義上，海螺算得上是一個自然界的直播“達(dá)人”，不僅對環(huán)境噪聲進(jìn)行了過濾，也起到了擴(kuò)音的效果。

亥姆霍茲共鳴器原理圖。圖片來源：中科院聲學(xué)所

04

從海螺聽“海”到古代聲學(xué)應(yīng)用

中國古代就有對聲音共振原理的應(yīng)用。

早在戰(zhàn)國初期，《墨子·備穴》就記載了用于軍事防御的共鳴器：在城墻根下每隔一段距離挖一口深井，埋入一個肚大口小的壇子，壇口用薄皮革蒙緊，然后放入井內(nèi)，派聽覺靈敏的人趴在壇口上聽聲音，來判斷敵方挖隧道的方位，然后進(jìn)行反擊。這種適合守城的裝置被稱為“甕聽”，也叫“地聽”。

關(guān)于“設(shè)甕助聲”，山西省汾陽市石塔村龍?zhí)鞆R的古戲臺是很好的例證，其兩側(cè)山墻對稱嵌入大中小三種陶甕，共計14個，陶甕口口相對，以起到擴(kuò)音的效果。

山西汾陽石塔村龍?zhí)鞆R古戲臺山墻上嵌設(shè)的14個陶甕。圖片來源：文獻(xiàn)3

古代行軍作戰(zhàn)時，為方便攜帶，“地聽”的設(shè)計趨向于輕巧且實用。唐代李筌在《太白陰經(jīng)·游奕地聽篇》中記錄了一種叫做“空胡簏”的空心枕，他寫道：“選少睡者，令枕空胡簏臥。有人馬行三十里外，東西南北皆有響見于胡簏中，名曰‘地聽’?！?/p>

北宋沈括《夢溪筆談·器用》中描述了這種警枕的制作材料和大體形態(tài)：“古法以牛革為矢服，臥則以為枕。取其中虛，附地枕之，數(shù)里內(nèi)有人馬聲，則皆聞之。蓋虛能納聲也?！边@種“地聽”是用牛皮制作的箭筒，行軍休息時置于地上枕之，因其中空，故能“納聲”。

試想，古代的將士們在扎營休息時通過這些神奇的小玩意兒，在幾十里外就能聽到敵方行軍的動靜，從而做出相應(yīng)的對策，古人可真聰明??！

古代聲學(xué)知識應(yīng)用的巧思令人敬佩，科學(xué)的種子早在古代就播撒在了人們的心里，科學(xué)之花在古舊的歷史書上綻放華彩。到了現(xiàn)代，共振現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于社會生活的方方面面，如醫(yī)用聽診器，鋼琴、小提琴、吉他等樂器的共鳴箱，微波爐，建筑用振蕩器等。

將一只海螺放在耳邊，我們聽到的是環(huán)境中的噪聲，而海螺是環(huán)境噪聲的過濾器與放大器。

所以，我們從海螺里聽到的，不只是大海的聲音，而是大自然的聲音！

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬大猷.亥姆霍茲共鳴器的發(fā)展[J].物理,1993(08):452-456.

[2] 楊陽,高策. “設(shè)甕助聲”之爭——科學(xué)史上的一樁公案[N]. 光明日報,2016-04-06(T14)

[3] 楊陽,高策,丁宏.山西石塔村龍?zhí)鞆R古戲臺設(shè)置陶甕的聲學(xué)技術(shù)[J].自然科學(xué)史研究,2014,33(01):70-82.

出品｜科普中國

作者｜王麗娜 楊馥錦（中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 水下環(huán)境信息感知實驗室）

監(jiān)制｜中國科普博覽

選送單位：中國科學(xué)院計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)中心

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