如虚如实说｜声音是如何产生的？

声音是由物体振动产生的。物体振动的频率不同，声音也就不同。远古的人们在升火时注意到不同的石块敲击时会发出不同的声音（参见《点火》）。据此，他们制作了石板木琴（Lithophones）。石板木琴是由多块石板做成的，在非洲的塞伦盖蒂（Serengeti）大草原、印度、越南等地都曾被发现过（图1）。不过石板难以计算出年龄。根据目前的考古发现，世界上最古老的乐器是一支在德国发现的骨笛（图2），距今已经有32,000年了。

图1，非洲的石板木琴

图2，世界上最古老的骨笛

动物发声是它们求偶、呼唤、威吓、逃生的基本生存技巧。动物有各种各样的发声方法。例如，鸟儿发声的系统由气管、支气管、气囊与鸣管组成（图3）。鸟儿要发声时先吸入空气充满气囊，然后在拉伸肌肉振动鸣管的同时将空气从气囊中挤出，从而发出鸣叫声。气囊占了身体很大一部分，因此鸟儿可以叫发出很大的声音。乌鸦的叫声可达80分贝。孔雀的叫声更高达100分贝，与摩托车差不多。

图3，鸟的发声器官

昆虫的发声方法有多种。会飞的昆虫振翼时会发声。蚊、蝇、蜂振翼时发出的嗡嗡声十分烦人。蝉的发声方法比较特别。只有雄蝉才会发声。蝉要发声时先吸入空气充满气囊，然后在振动鼓膜肌和纵肌的同时将空气从气囊中挤出，从而发声（图4）。蝉的气囊占了身体近一半的空间，因此能发出很大的声响。在《蝉、质数、分贝》一文中讲到蝉的叫声可达90分贝。一群蝉一起高声鸣叫时震耳欲聋。

图4，蝉的发声器官

人类发声靠身体的几个部分共同作用（图5）：

图5，人类发声的器官

水中的部分动物确实会发声，在浩瀚而神秘的海洋中，隐藏着我们人类耳朵难以察觉的交响乐曲。珊瑚虫会喃喃低语。许多鱼类会通过收缩鱼鳔发出各种各样的“鱼咕噜”：咕咕、噜噜、呱呱、咚咚......鱼类的集体合唱可以非常响亮，用于水下探测的声纳装置不得不设置专门的算法来消除其影响。

最为著名的海洋歌手是鲸鱼，特别是座头鲸。这些温柔巨兽的美妙歌声令人陶醉。它们的歌声可以持续数小时，远传数百千米。每一首歌都是独一无二，有求爱、欢愉、呻吟、嚎叫、哭诉......传达的信息和情感十分复杂。

最为特别的是枪虾（Pistol shrimp）。这种躲在珊瑚礁角落里的小虾是海洋中发声最响亮的动物之一（图6（a））。枪虾有一对特别的爪子（图6（b）），上爪像个锤子，可以上下运动。由于上爪易于损坏，还可以再生。下爪像个铁砧。强劲的肌肉拉动上爪快速砸在下爪上，产生尖锐的拍击声和强大的冲击波，冲击波足以震晕小鱼小虾一类小型猎物。科学家们发现枪虾发出的超声波甚至能够震碎实验室中小型玻璃容器。枪虾的发声音高达218分贝，使它们成为海洋中最强大的小型捕食者之一。

（a）枪虾

（b）枪虾的爪子

图6，枪虾

植物也会发声，这里说的不是风吹草动的声音，而是植物自身的发声。植物体内有水分，而水中有空气。随着环境温度的变化、外界压力的变化或虫害产生的生物化学变化，水中的空气会产生空化（Cavitation），因此产生超声波声发射（ultrasonic acoustic emission，简称UAE）。科学家们在1910年代就发现了植物会发声，但到1980年代才发现发声的原理（图7）。

图7，植物通过木质部把水从的根部送到顶部，木质部中水的空化产生声发射

声音最重要的两个特征是幅值与频率。幅值描述音量的大小，用分贝（decibel，简称dB）来度量。分贝这个名字源自1920年代。当时贝尔公司的工程师们需要测量电信号在导线中传输时的衰减。他们先测量一个1英里长的标准线的电压降（V₁），接着再测量待测导线的电压降（V₂），然后计算两者之比的对数并乘上20，即：

这个没有量纲的值使用起来十分方便。1928年他们把这个值命名为“decibel”。“deci”是拉丁词头，意为十分之一，这里用于表示以10为底的对数。“bel”是纪念他们的老板，电话的发明者亚历山大·贝尔（Alexander Graham Bell，1847年—1922年，参见《光纤》）。至于为什么是“bel”而不是“bell”就没有人知道了。

分贝很快就被各行各业的科学家与工程师们接受了。在声学中更是必不可少。它以无声为标准值（即V₁=1），随着音量的增加而增加（即V₁≥1）。注意log₁₀（1）=0。上面讲到了乌鸦、孔雀、蝉和枪虾等几种动物发声的分贝值，下面表1是一些场景的分贝值。

表1，分贝参考值

频率用于度量声波的变化快慢。最早研究声波变化规律的是我们中国人。春秋时代的管仲（约公元前723年—公元前645年）提出了“三分损益律” （参见《真正的王子朱载堉》）。战国时代的曾侯乙（约公元前475年—公元前433年）墓中出土的编钟由65个铜钟组成（图8）。钟口是橄榄形的，所以敲击正面和侧面，钟的振动方式不同，因此是“一钟双音”。编钟上有3755字的铭文，详细讲述了钟的编号、标音及乐律。这是当时世界上的最高水平。

图8，曾侯乙编钟

古希腊的毕达哥拉斯（Pythagoras，公元前570年—公元前495年）通过弦的振动来研究声音的变化规律。他发现了“弦短一半，音高一倍”的音阶，并用数学方法加以描述（参见《毕达哥拉斯和他不朽的音阶》）。

伽利略（Galileo Galilei, 1567年—1642年，参见《伽利略的望远镜》）最先发现振动快慢与声音频率的关系。他在一块铜板上划了好几排等间距的划痕，每一排的间距都不同。然后用一个铁锥在上面划过。他发现间距越小，发声的频率越高，因此他断定振动的速度与声音的频率成正比。

现代声学之父是法国人马林·梅森（Marin Mersenne，1588年—1648年）。梅森出生于一个农民家庭。他自幼勤奋好学，早年在家乡的教会学校学习神学，后来在法国名校索邦大学（Sorbonne University）完成了学位。不久他在巴黎获得了一个优厚的教士职位（图9）。他是位虔诚的基督徒，年轻时并不相信伽利略的理论。后来他钻研科学与数学，改变了思想，转而支持伽利略。在他的坚持下伽利略的一些论文才得以发表。梅森有许多朋友，如笛卡尔（René Descartes，1596年—1650年）、费马（Pierre de Fermat，1601年—1665年，参见《最小做功原理》）、帕斯卡（Blaise Pascal，1623年—1662年），惠更斯（Christiaan Huygens，1629年—1695年，参见《同步》）。他也因此成为当时欧洲大陆科学界的核心人物。

图9，现代光学之父梅森和他的名著《和谐音概论》

梅森在多个领域都有重大贡献，但最重要还是声学。1638年他发表了名著《和谐音概论》。书中给出了多个重要声学原理，包括“梅森定律”——弦的振动频率为：

这里，f是弦的振动频率，L是弦的长度，T是弦的张力，m是单位长度的弦的质量。从这个公式可以看出，弦越短，频率越高；弦的张力越大，频率越高；弦越细（质量越小），频率越高。读者可以拨弄一个弦乐器来验证。

利用现代工程技术可以产生各式各样的声波（图10）。频率的单位是赫兹（Hertz，简称Hz），这个名称源自德国科学家海因里希·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年—1894年，参见《电学之三电磁波》）。人类的声域在20—20KHz。比这个声域低的叫做次声，比这个声域高的叫做超声。一些动物的声域比人类高。超声波有许多应用，如理疗、无损检测、医学诊断（参见《医学影像之三：红外成像、超声波与核磁共振》）、超声电镜等。

图10，声波的分类