裁判必备的哨子，竟然来源于足球场上的一次意外
The following article is from 科学大院 Author 张志博
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2022年冬奥会来了，除了摩拳擦掌的运动员们，裁判的存在也十分引人注目。
一声哨响，精彩登场！
小小的哨子，吹响的是运动员的碰撞与激情，肩负的是体育的公平与公正，承载的是观众的关注与期望。
图片来源：央视网
小小的哨子是如何走上体育竞技场的？小身板如何拥有大嗓门？
图片来源：veer图库
裁判手里的哨子，
其实来源于足球场上的一次意外
最早的哨音来自于足球比赛。最开始的足球比赛，裁判员只是一个无足轻重、可有可无的角色，裁判没有哨子，控场基本靠吼。
那么大的竞赛场所，中间是运动员的喧闹声，四周是球迷们的喝彩声和嘘叫声，裁判员的声音常常被嘈杂的声音覆盖，他不能进入运动场内，只能在场外大声吆喝、拼命喊叫。
因此，比赛往往会出现这种场面：场外的裁判员声嘶力竭，场上的运动员毫无反应！大家来算算，当时裁判员的心理阴影面积有多大？
1875年，在英国伦敦举行的一场足球赛中，由于意外的情况和偶然的巧合，产生了世界上最早的裁判哨音（划重点）。
在这场比赛中，双方球员对一个进了球门的球是不是有效产生了争议。球迷们为了袒护自己声援的一方，纷纷涌进球场内，比赛也因此停滞，眼看有可能酿成一场大混战，如果不及时制止，就可能会出现人命事故。
碰巧，担任这场比赛的裁判员是一名警察，面对混乱不堪的局面，出于警察的职业习惯，情急之下他吹响了警笛。闹事的观众们听到了警笛声，立刻自觉而迅速地退到了观众席上，运动员也顿时安静下来，整个球场的混乱秩序在警笛声吹响后很快便稳定下来。
这种意想不到的效果，使人们认识到了哨子的作用，此后哨子便成为了裁判员的工具，并从足球比赛扩展到了其他项目的体育运动中。
小小哨子，
为什么能发出这么大的声音？
哨子的历史悠久。早期人类即发现有孔的葫芦或兽骨可以发声，于是开始有了类似的乐器。古埃及人也曾把小贝壳制作成哨子。
图片来源：清和乐器博客
哨子是一种依靠边棱振动发声的气鸣乐器。气鸣乐器，顾名思义是指以空气为激振动力而发声的乐器。
在气鸣乐器中，其发声方式主要有边棱音和簧振动两种。
当气流以一定的角度冲击吹孔对面的锐棱，气流分隔为两股交替分裂的旋涡而形成空气层脉动，这个声源带被称为边棱音。
边棱音产生示意图丨图片来源：作者绘制
空腔则通过共振放大声音，也就是通常所说的“空气柱共振”。脉动的空气层犹如“空气簧”，激发管内空气柱共振，同时也受空气柱振动的影响。
在相互影响中，呈现出一种“强者制约弱者”的现象。在此，空气柱振动强于柔软的“空气簧”，以致前者在较大程度上对后者起调制作用，将其频率强加于后者。
这类乐器的声音，实际由两个声源（边棱音和空气柱共振）混合而成。而我们所听到的，主要是管出口端辐射的声音，其音高源自空气柱振动。
笛子的发声原理丨图片来源：作者绘制
而簧振动则是由簧片的振动而发音的。当气流进入簧片微张的缝口时，在气流压力影响下形成簧片周期性的闭合，从而激发空气柱产生振动。
哨子的发声频率受多种因素影响，其中最主要的因素是哨子的形状。而在哨子的形状中，哨子内最大尺寸是主要因素。吹哨子时，流过哨子口的气流速度也会影响哨子的发声频率，气流速度越大，发声频率越高。此外，改变出气口尺寸也可以改变哨子的发声频率。
篮球裁判丨图片来源：新浪图片
从“豌豆哨”到“无核哨”：
裁判哨子的进化史
在现代体育赛场上，各种现代化、电气化的体育设施层出不穷，但裁判手中的哨子基本还像原来一样“朴实无华”。
“豌豆哨”作为各种体育比赛的裁判用哨，已经有100多年的历史。它的原理十分简单：将软木加工成豌豆状小球，植入哨子体内，在吹奏时气流会形成边棱音。
气流被哨子出口缝隙锋利的边缘分割成两部分，一股直接从缝隙冲出发出声音，另一股则在腔体内回旋并推动小球，当气流从缝隙冲出时就会再次加强声音。同时，小球的来回运动会扰动气流，使哨子发出独特的、清脆的声音。
“豌豆哨”原理动画演示丨图片来源：节选自西瓜视频《你真的知道哨子是这样做的吗》
但是，这种传统的“豌豆哨”也存在着弊端。
其一，内部小球的运动限制了哨子发声的力度，在人声鼎沸的运动场上，哨音常常被现场的各种噪声所淹没，进而影响比赛的正常进行；
其二，由于豌豆球的体积较小，如果小球被弄湿或冻住，就会影响其运动，从而影响哨音。
如果吹哨时用力不当，很容易使豌豆球卡在哨壁中，导致哨子发不出声音，俗称“哑哨”。而这是比赛当中的重大事故，甚至会导致比赛中断。曾经有裁判就因为“哑哨”而遭到狂热球迷的殴打。
于是，对“无豌豆”哨子的呼声越来越强烈。加拿大人查克·谢泼德（Chuck Shepherd）、罗恩·福克斯克罗夫特（Ron Foxcroft）等人，根据长期的摸索发现：
要想发出和“豌豆哨”一样的声响，需要三个腔室，还分别需要一个高音、低音和中音部位，经过复杂的合奏，才能发出尖锐的声音。
后来，他们从教堂管风琴的腔室中找到了灵感，摸清了设计原理，并造出了原型哨。
三腔“无豌豆”哨的发声原理丨图片来源：作者绘制
再后来，他们又想到了一个惊人的创意：将腔室像折纸一样折叠起来，这样便可以大大缩小哨子的体积，也使得它具有了实用性。
腔室折叠后增强了声音传播的集中性，这样的哨子发音强度远大于传统的“豌豆哨”！现在，我们已经能在很多的大型比赛上看到这种“无豌豆”的哨子（也称无核哨）。
三腔“无豌豆”哨（无核哨）实物丨图片来源：FOX40官网
让我们共同期待北京冬奥赛场上那一声声嘹亮的哨音吧！
本文经授权转载自微信公众号“科学大院”。
本文由科普中国融合创作出品，张志博制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
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