想学唱歌？你先把这个玻璃杯震碎

Original 冯遥中科院物理所 2022-04-06

收录于话题 #线上科学日 154个

某个结束打工的晚上，小编用着5G网快乐地冲浪时，忽然看到这样一条热搜

来源：微博

作为一个脑补能力满分选手，小编的脑海中立马就有了画面

来源：哔哩哔哩
啊抱歉放错了，应该是这张（注：危险操作，请勿模仿）

来源：哔哩哔哩
惊叹一番后，小编望着手里的玻璃杯，陷入了沉思：想要震碎这个玻璃杯，是应该实现音量足够大、还是要做到音调足够高呢？或者说二者都是必要条件？声音除了能够震碎玻璃，能不能造成更大的破坏呢？为了不被楼下大哥提刀找上门来，小编被迫放弃了用实验证实猜想的计划，决定继续冲浪寻找答案。

什么是声音

在物理学上，声音被定义为以声波的形式通过诸如气体、液体或固体之类的传输介质传播的振动[1]。声音的产生需要声源，例如扬声器的振动膜片；声源在周围介质中产生振动，振动会以声速从声源传播开，从而形成声波。声波作为机械波，可以通过诸如空气、水和固体之类的介质以纵波形式传播，在固体中也可以以横波形式传播。声波的传播实质上是能量在介质中的传递。

来源：giphy.com
声波可以被分解成不同频率的正弦波，所以可以用一些物理参数——例如振幅（声音的强度）、频率（声音的音调）、速度(声音传播的速度）等——来描述。声音的频率通常以赫兹（Hz）表示，一个赫兹等于每秒一个波，人们普通谈话的声波频率在200-800Hz之间。根据声波频率的不同，可以分为以下几类：

声波的分类

1	频率低于20Hz的声波称为次声波或超低声
2	频率20Hz~20kHz的声波称为可闻声
3	频率20kHz~1GHz的声波称为超声波
4	频率大于1GHz的声波称为特超声或微波超声

音量的大小通常以分贝（dB）为单位来衡量。人耳刚能听见的声音强度是0dB，普通谈话的声强是60-70dB，而使人耳产生疼痛感觉的声强是120dB。[2]

共振频率

所有物质都有一个固有频率，或者说共振频率，它们在数值上是相同的，但概念略有区别。
在无阻尼的情况下，物体在受到外界激励做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，仅与系统的固有特性有关（如质量、形状、材质等），这个频率称为固有频率，其对应的周期称为固有周期。不论是否有外界激励，物体的固有频率都是客观存在的。
当我们给物体施加一个周期性的外界激励时，如果外界驱动的频率和物体的无阻尼固有频率相同，物体振动的增幅最大，这时我们称物体发生共振，外界激励的频率称为共振频率。
举一个简单的例子：荡秋千。

假如你有一个女朋友，秋高气爽，黄叶铺地，你们一起去公园玩耍，她坐在秋千上，你在后面推动、让它前后摆动。只推一下显然是不行的，因为摩擦和阻力，它只会来回摆动几次，然后停下来。为了保持秋千运动，并且高高荡起，必须在秋千的每一个摆动周期都施加一次外力驱动，使得驱动频率与秋千本征频率接近，产生共振；也就是当秋千荡到最高点时，顺着秋千继续摆动的方向施加一个外力，这样就能将秋千推得更高。但是如果你玩心大起，在秋千正朝着你运动的时候给秋千施加了一个反向的力，使得秋千的运动受到一个阻碍作用……也不是不可以，毕竟以后一个人也可以荡秋千嘛，挺快乐的。

来源：网络
共振频率也不总是浪漫的。最著名的例子莫如塔科马大桥的坍塌事故，塔科马大桥位于美国的华盛顿州，在它建成通车4个月后，一个19米/秒，相当于八、九级的风把它吹塌了。而这个事故之所以会发生，就是因为当风吹动桥梁时在桥梁后面形成“卡门涡街”，“卡门涡街”以一定的频率拍动桥梁，当拍动的频率与桥梁本身固有频率相同时发生共振现象，让桥坍塌。

来源：giphy.com

共振现象能让一座大桥都坍塌，震碎小小一个玻璃杯显然不在话下。但问题在于，想要震碎一个玻璃杯——哪怕是轻而薄的高脚红酒杯而不是啤酒瓶——只是发出使它产生共振的频率的声音是远远不够的；你不仅需要在一段时间内保持这个音准，而且声音的强度也需要在100-110分贝左右[4]。这个分贝的声音意味着什么呢，意味着你要发出能够盖过除草机、电锯或者摩托车发动机的声音……

来源：giphy
看到这里，小编突然就明白了为什么影视剧中总要用震碎玻璃杯这件事来表示这个歌手的专业实力之强悍了：这不仅展示了歌手的音域之广，更体现他对音准的把控能力，以及有着足够浑厚的“丹田之气”能够发出能量不小的声音。像胖夫人那样哼了几句发现不行、只一味提高音调的做法，不仅表明她歌唱能力不过关，而且物理也没学好（不是。

声波武器

小编小时候一直很喜欢一部叫做《丁丁历险记》的动画，以至于一度想拥有一只同款小白狗，带它去世界各地冒险，在一次次化险为夷的奇妙经历中悄无声息地拯救世界，事了拂衣去，深藏功与名（雾。而《丁丁历险记》的某一卷中就提到过可以用强烈声波摧毁城市，虽然危机最终还是被主角有惊无险地化解了，但是“声波武器”自此就在小编心中留下了极为深刻的印象。

来源：giphy
事实上，位于荷兰的欧洲航天局（ESA）就有这样可以致命的“声学武器”。这些声学设施是为了用来测试卫星能否承受火箭发射时产生的噪音——众所周知，航天器在发射的时候，为了防止其他设施和航天器本身被发射时产生的声波摧毁，工作人员通常会向发射场的下部喷射一百多万立升水。有人计算过，让一个人的头爆破大概需要240dB，ESA的声学装置最高能产生154dB的声波，虽然无法立刻致死，但也足以爆破耳膜。尽管目前的研究证据并不太多，但现在普遍认为，声音过大可能会在肺部引起空气栓塞，栓塞进入心脏导致死亡；或者肺部由于气压升高而破裂——声音是在介质中传播的压力波，能量越高，压力越大，音量也就越大。

ESA中四个巨型声学孔之一。来源：网络
不是只有巨大的音量才能对人体造成损伤。人类只能听到20-20000Hz之间的声波，如果坐在一个19Hz的低音炮面前，即使把它的音量调到100dB，人也无法听到它发出的声音。但是，你可以感受到它；因为19Hz恰好是人眼的共振频率，这时你会发现眼球开始“摇晃”，视力变得模糊。而如果暴露在0.5-8Hz、177dB的声波下，人的肺部会受到损伤，并开始感到呼吸不稳，长时间接触还会让人感到恶心并产生视力障碍。

来源：giphy.com
声音是造物主给人类众多的奇妙馈赠之一。因为有声音的存在，我们可以在春天聆百鸟啁啾，夏夜听蛙语蝉鸣，秋日闻落木萧萧，冬天察细雪悉簌；也因为声音，音乐这种“全球通用语”才得以存在，我们可以不用语言，只用旋律便能传递自己的喜怒哀乐，人与人之间的悲欢能够相通。

所以，与其想着用声音震碎玻璃，不如好好思考怎么才能做到唱歌不跑调。

参考文献

[1]维基百科

[2]段维生，禾火等. 生物与声波：吉林人民出版社，1980

[3]Can you reallyshatter a glass with a high note?

[4]http://www.gcaudio.com/resources/howtos/loudness.html

[5]Can a loud enough sound kill you?

[6]Can a sound wave kill you?

[7]什么？造量子计算机前要先学会“荡秋千”？

编辑：fengyao

近期热门文章Top10