科学原理:“驯服”声音
发布时间:2020-07-07
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科学原理:“驯服”声音

图片来源:Pixabay

老师在操场上跟全校同学说话时,把嗓门开到最大,大家也不一定能听清,而且嗓子还很容易变哑,这时候就该扬声器(俗称喇叭)上场了,它可以帮老师把正常说话的声音放到很大,传遍操场的每一个角落。它是怎么做到的呢?

声音的大小是由声波的振幅大小(类比海浪的高低)决定的,声波振幅越大,声音就越响亮。我们用力敲鼓,鼓声会更大也是因为鼓面的振动幅度变大了,声波的振幅也跟着变大。扬声器里的这面“鼓”是锥形的纸盆或者振膜。改变它们的振动幅度,就可以调节声音的大小。这些“小鼓”藏在扬声器里,用手是拍不到的,需要借助电流的力量来“敲打”。

当扬声器接收到原始声音后,会把它“翻译”成强弱不同的电流信号,然后通过电路放大器,把电流的整体强度变大,再输出到纸盆或振膜上,产生相应强度的振动,这样声音就会被放大了。

平常我们能够调节电脑、手机扬声器的音量大小也是相同的原理。

扬声器的音量可以受电流控制,但是生活中有很多嘈杂的噪音是我们没法通过按键来调控的。除了戴上耳塞,有什么办法可以让这些恼人的声音小一点呢?

实际上,消音器已经为我们消除了不少生活中的噪音。虽然人来人往、车水马龙的街道并不安静,但如果没有消音器,那里的噪音将会变得令人一刻也无法忍受。汽车发动机在工作时会发出非常大的噪音,这些声音主要来自空气分子剧烈碰撞产生的振动。

为了减小汽车发动机产生的巨大噪音,工程师为汽车发动机配上了消音器——带有很多小孔的管状结构。虽然它无法完全消除声音,但确实可以让声音小不少。消音器让声音变小的方法主要有两种:把声波困在消音器中,被多孔材料吸收,把声能转化成热能消耗掉;或者让声波在里面“弹来弹去”,让反射的声波和原来的声波相互抵消。

声波竟然还能相互抵消?没错,而且也能相互加强。不过只有频率相同的声波才有可能,这个现象叫做波的干涉。它能让光变强或变弱,同样也能让声音变大或变小。当两束频率相同的声波恰好步调一致(波峰对波峰,波谷对波谷)时,声波的振幅会发生叠加,使声音变大;相反,如果它们恰好步调相反(波峰对波谷),那么声波的振幅就会相互抵消,让声音变小,甚至完全消除(两束波的振幅相等时)。声波被反射后,频率不会改变,工程师要做的就是通过计算让反射的声波尽可能与原来的声波步调相反,这样就能达到减弱噪音的效果。

手枪开火时,子弹突然刺穿空气,也会发出刺耳的巨响,对枪手的耳朵造成伤害。所以很多枪支也会配备消音器,但消音器的作用依然有限,枪手有时还会戴上降噪耳机。降噪耳机的原理和消音器的原理有些类似,一种采取的是防御策略,吸收噪音,阻挡它们进入耳朵;另一种会在接收到噪音后,主动出击,发出与它们频率相同、步调相反的声波,巧妙地用声音来消灭声音。

看来只有好好了解声音,我们才能真正“驯服”声音。



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