声音的奇妙旅行

声音的奇妙旅行

敲鼓的声音从哪里来

你有没有注意过，当我们敲响一面鼓，咚咚的声音会立刻钻入耳朵？再看看敲鼓的那只手，分明已经离开了鼓面，声音却还在持续。鼓面上覆盖的那层皮正在剧烈地颤动，像一只受惊的小鸟在扑扇翅膀。用手指轻轻触碰刚被敲过的鼓面，指尖会感受到一阵细微的震颤——这就是声音产生的秘密：一切声音都源于某种物体的振动。

把这个问题继续追问下去，我们会发现振动其实是一种非常普遍的运动形式。拿一把尺子伸出桌面边缘，轻轻拨动尺子露出的那截，尺子会来回摆动，发出嗡嗡的声音。如果把尺子按得更短一些，只留下很小的一截露在外面，同样的拨动力度下，尺子的振动会更快，发出的声音也会更高。把尺子换成更厚更硬的材料，振动的方式又会发生变化。这意味着振动有三个要素决定了声音最终听起来是什么样子：振动的是什么物体、物体的材料和形状如何、物体的弹性怎样。

这些要素在乐器上体现得最为明显。一把吉他有六根粗细不同的弦，最细的弦振动最快、发出的声音最高；最粗的弦振动最慢、声音最低。小提琴的四根弦比吉他的弦更细更短，所以小提琴能演奏出比吉他更高的音符。钢琴内部有数十根长短不同的琴弦，长弦发低音、短弦发高音，一架钢琴才能覆盖从低沉到尖锐的广阔音域。鼓则不同，鼓皮是一个平面而不是细线，敲击后整个鼓面都在振动，不同位置的鼓皮振动方式叠加在一起，形成了鼓特有的浑厚音色。

声音的产生需要振动，但振动本身并不等于我们听到的声音。振动的物体是声源，没有声源就不可能有声音。宇宙中如果没有物体在振动，就只有死寂——这听起来像是一个显而易见的结论，但其中包含的道理比我们想象的要深刻。振动是声音存在的必要条件，但仅有振动还不够，声音需要找到一种途径从声源传播到我们的耳朵，否则振动再剧烈我们也听不见。

声音如何在空气中旅行

为什么敲鼓的声音能传到房间另一侧？为什么在操场的这一头喊一声，远处的人能够听到？声音是怎样从鼓面或者嘴巴旁边，跑到相隔几米甚至几十米远的耳朵里去的？

答案藏在空气这种我们每天都在呼吸、却很少真正注意到的物质里。空气并不是虚无缥缈的“什么都没有”，而是由无数极其微小的颗粒组成的。这些颗粒小到肉眼完全看不见，但它们真实存在，并且时时刻刻都在做着混乱的热运动——像一群看不见的小球在随机地互相碰撞、弹开、再碰撞。空气的这些微观颗粒被称为分子，氧气、氮气、二氧化碳等气体分子混合在一起，组成了我们周围的大气。

当声源振动时，情况发生了有趣的变化。以说话为例，声带在喉咙深处振动，带动紧贴声带的那层空气分子。振动意味着声带一会儿往前推、一会儿往后拉。当声带往前推时，最近的空气分子被挤压在一起，空气在这个位置变得稠密一些；当声带往后拉时，那里的空气变得稀疏。稠密和稀疏交替出现的状态向前传递出去，就像运动场看台上人浪的传递方式——每个人只是在自己位置上站起来又坐下，但波浪却能沿着看台传得很远很远。

空气分子的这种挤压-舒张交替运动形成了声波。声波不是空气本身从声源飞到了耳朵，而是空气分子在原地振荡的同时，把振动状态一个接一个地传递给邻居。把一本书推倒在桌上会发出声响，书附近的空气分子首先被挤压，然后它们挤压旁边的分子，旁边的再挤压更旁边的，这个过程连续进行，声波就这样在空气中传播开去。

声波在空气中的传播速度大约是每秒340米。这个数字在日常生活中已经足够快了——你在礼堂舞台上喊一声，声音传到最后一排听众的耳朵里只需要不到半秒。但光速比声速快得多，打雷的时候我们总是先看见闪电、稍后才听到雷声，就是因为光几乎不需要时间传播，而声音需要时间穿过空气。在科学实验室里可以精确测量这个速度，方法是测量两个相隔已知距离的麦克风接收到同一个声音信号的时间差，利用距离除以时间就能算出速度。

声波在传播过程中会逐渐减弱，距离声源越远声音越轻。这是因为声源振动产生的能量在传递过程中被分散了——想象一个石子投入湖面，水波的振幅从圆心向外逐渐减小就是这个道理。声波还有一个重要特性：它能绕过障碍物。声波遇到尺寸与波长接近的障碍物时会发生衍射现象，绕到障碍物后面去，这就是为什么我们在房间角落里也能听到门外有人说话的原因。光的波长太短，衍射现象不明显，所以光线照不到的地方就是黑的；声波的波长可以达到一米甚至更长，衍射能力强得多，所以声音比光更容易“拐弯”。

我们的耳朵怎样捕捉声音

声波从声源出发，穿过空气，终于抵达了听者的耳朵。但耳朵接收到声波之后又是怎样把它变成我们能够理解的信息的？这个过程精密得令人惊叹，比任何最复杂的人造机器都要神奇。

先看耳朵的外部结构——我们能看到的这只“耳朵”叫耳廓。耳廓的形状可不是随意长成这样的，它的凹槽和褶皱像一个小型的卫星天线，能够收集从各个方向传来的声波，并且把声波引导向耳朵内部。竖起耳朵仔细听和把耳朵耷拉下来相比，前者能听到更微弱的声音，这是因为耳廓位置的改变影响了收集声波的效率。有些动物的耳廓能够独立转动，主动追踪声音来源的方向，人的耳廓虽然不能转动，但它的形状依然承担着收集声音的基本功能。

声波进入耳朵后，首先遇到的是一层薄薄的膜——鼓膜。鼓膜位于外耳道最深处，是分隔外耳和中耳的一堵“墙”。这堵墙可不是实心的砖墙，而是一层紧绷的薄膜，厚度只有0.1毫米左右，大约相当于一张A4纸的十分之一。声波到达鼓膜后，把振动传递给鼓膜，鼓膜就随着声波的节奏一起振动起来。鼓膜的振动幅度非常小，最轻微的可听声音只能让鼓膜移动不到氢原子直径那么大距离，但这种微小的运动已经足以触发下一级的放大机制。

鼓膜后面连着三块人体最小的骨头——锤骨、砧骨和镫骨，医学上把它们统称为听小骨。这三块骨头排列成一个精巧的杠杆系统，每一块都只有几毫米大小。锤骨固定在鼓膜上，接收鼓膜传来的振动；镫骨连接着内耳的卵圆窗，把振动传递进去。三块骨头依次传导振动的同时，还在一点一点放大振动的力量。杠杆原理在这里发挥作用：锤骨-砧骨-镫骨这条链把振动力量放大了大约1.5倍。更重要的是，鼓膜的面积比卵圆窗大得多——鼓膜面积大约是卵圆窗面积的17倍，这个比例差异使得压力被大幅放大。听小骨就像一套微型液压系统，把微弱的声音信号放大成足够强的力量。

声波过了听小骨这一关，就进入了内耳最核心的部分——耳蜗。耳蜗的外形像一只蜗牛壳，内部充满液体，是一个螺旋形的管道。声波的振动从卵圆窗传入耳蜗内的液体，在液体中形成波动。这种波动会引起耳蜗内壁上覆着的成千上万个毛细胞发生弯曲。毛细胞是听觉的感受器，它们把机械振动转化为电信号。每一个毛细胞都对特定频率的声音最敏感——靠近耳蜗底部的毛细胞感受高频声音，靠近顶端的感受低频声音。不同频率的声波使不同位置的毛细胞发生响应，大脑通过识别被激活的是哪些位置的毛细胞，就能判断声音的音高。

毛细胞产生的电信号通过听觉神经传输到大脑。大脑的听觉皮层接收到这些信号后，会对信号进行分析和解读：这是音乐还是人说话的声音？声音从哪个方向传来？音量有多大？音调是高是低？这个声音听起来熟悉吗？所有的这些判断在一瞬间完成，让我们能够理解自己听到了什么。整个听觉系统从声波收集到神经信号产生只需要大约10到20毫秒，人对声音的反应速度甚至比对视觉信号的反应还要快。

三种常见的声音场景

把前面讲到的原理放到日常生活中检验，我们能更清楚地理解声音是怎样产生和传播的。下面以敲鼓、说话、吹哨子这三个最常见的场景为例，具体分析每种声音的来龙去脉。

敲鼓时发生了什么

敲鼓的动作看似简单，背后却涉及多个物理过程的协调。鼓槌击打鼓面的瞬间，鼓槌的动能传递给鼓皮，鼓皮在冲击点发生形变。形变的鼓皮试图恢复原状，在弹力的作用下开始振动。鼓皮的振动是复杂的——中心位置和边缘位置的振动方式不同，不同频率的振动叠加在一起，形成了鼓特有的音色。如果敲击的位置不同，鼓声的音高和音色也会变化：敲击鼓的中心，产生的泛音较少，声音比较纯；敲击鼓的边缘，产生的泛音更丰富，声音听起来更复杂。

鼓皮的振动通过空气传播到四周。离鼓越远，声音的强度越低，因为声波的能量被分散到更大的面积上。在一个封闭的房间里，鼓声还会从墙壁、天花板、地面上反射回来，形成回声。当反射声与直达声到达听者耳朵的时间间隔足够长时，人耳能够分辨出两个声音；间隔太短时，反射声会增强直达声的效果，这就是小房间里的声音比空旷操场上更“响”的原因之一。

说话时声音从哪里来

人类说话是最复杂的发声行为之一，涉及多个器官的精密配合。说话的起始点在喉结内部的声带。声带是两片薄薄的韧带状组织，位于气管入口处。呼吸时声带张开，允许空气自由进出；发声时，声带闭合，气流从声带之间的缝隙挤出，使声带振动。声带振动的频率决定了说话声音的音高——成年男性的声带大约长17到25毫米，振动频率在85到180赫兹之间；成年女性的声带大约长12到17毫米，振动频率在160到270赫兹之间；儿童的声带更短更高，所以童声听起来比成人尖细。

声带振动产生的声音还是很微弱的“基音”，它本身并不像我们日常听到的说话声。声音从喉咙里出来之后，还要经过咽腔、口腔、鼻腔这些共鸣腔体的放大和修饰。口腔的形状可以通过舌头、嘴唇、下颌的运动来改变，不同的口腔形状对不同频率的声音有不同的放大作用，这就形成了元音。辅音则是在气流通过口腔时，由嘴唇、牙齿、舌头等部位对气流的阻挡和摩擦产生的。发“a”音和发“i”音时，舌头的位置明显不同，口腔的形状也不同，它们放大和保留的频率成分就不一样。元音和辅音按照特定的时间顺序组合起来，就形成了有意义的词语。

吹哨子时声音如何形成

哨子是一种利用气流共振发声的装置。吹哨子时，我们呼出的气流从吹口进入哨子内部，通过一个狭长的通道后冲击到哨子壁上的边缘。气流的流动在边缘处形成周期性的涡旋，这些涡旋的频率与哨子内部空腔的固有频率一致时，就会产生强烈的共振，发出响亮的声音。哨子的空腔形状和大小决定了声音的音高——空腔越大、越深，音高越低；空腔越小、越浅，音高越高。

吹口的设计非常关键。空气动力学的研究表明，只有当气流速度达到某个阈值，并且在特定的角度冲击边缘时，才能产生稳定的涡旋从而发出哨音。吹得太轻，气流速度不够，声音出不来或者声音很弱；吹得太重，气流速度过高，涡旋的频率会变得不稳定，声音会变得刺耳或者出现杂音。这个原理也解释了为什么吹气球和吹瓶子发出的声音不同——不同的容器有不同的共振频率，空气柱的长度决定了音高。

物理声音与语言声音的本质差异

前面讨论的声音——鼓声、尺子振动声、哨子声——都属于物理声音，它们是由物体振动产生、通过空气传播、被我们耳朵接收到的声波。这些声音本身不承载抽象的意义，只表达自身的物理属性：音高、音量、音色、持续时长。一面鼓敲得重一些，声音就响一些，这是音量变化；换一个更细的鼓槌，音高可能会升高；更换鼓皮的材质，音色会改变。这些变化都是物理层面的，与人的意图和思想无关。

语言声音则完全不同。当我们听到“妈妈”这两个音节时，耳膜接收到的同样是空气振动，但大脑对这些振动的处理方式与处理鼓声的方式有根本区别。大脑识别出这是一串有组织的语言信号，解码出其中包含的语义——指代某个特定女性的词语。大脑还判断出说话者的年龄、性别、情绪状态、地域口音等信息。这一切都发生在对声波物理属性分析的基础之上，但语言理解远远超越了物理分析的范畴。

这种区别的核心在于，语言声音具有意义功能。物理声音没有“正确”或“错误”之分，只要声源的振动模式能被耳朵捕捉到，就完成了声音存在的全部使命。语言声音则不同，同样的声波组合，在一种语言里可能是一个有意义的词，在另一种语言里可能毫无意义，甚至可能是一个冒犯性的词。英语中“miss”这个音串既可以指“错过”，也可以指“想念”，还可能是某个女性的姓氏，仅凭语音本身无法确定具体含义，必须结合上下文语境才能准确理解。物理声音可以被复制、被模仿，但只有具备语言系统中约定俗成的意义规则，声音才能成为真正的语言。

语言学家把语言声音的最小单位称为音素。音素是区分词义的最小的语音单位，替换一个音素可能产生完全不同的词。在汉语普通话里，“爸”和“怕”的区别只在于最后一个音素的清浊——前者声带振动，后者声带不振动——这个微小的差异就把“父亲”和“恐惧”区分开了。在英语里，bit和pit的区别在于开头辅音是清唇音还是浊唇音。世界上不同的语言使用不同数量和类型的音素，英语大约有44个音素，日语大约有20个音素，普通话大约有32个音素。音素的数量和组合方式构成了每种语言独特的语音系统，这就是为什么不同语言的人说话听起来不一样的原因。

不同文化对声音的分类方式也反映了语言系统的差异。普通话里有四个声调——阴平、阳平、上声、去声，每个声调都是一个独立的音位，可以用来区分词义。“妈、麻、马、骂”四个词都由同样的声母和韵母组成，唯一的区别就是声调不同，这个区别足以让它们成为四个完全不同的词。英语和大多数欧洲语言不是声调语言，声调的变化不会改变词义，只会影响句子是疑问还是陈述、是强调还是平常。音乐作为语言之外的声音艺术，又有自己独特的组织规则，与自然语言系统既有联系又相对独立。

用橡皮筋感受声音的振动

理解了声音产生的原理之后，亲自动手做一个小实验能帮助我们把抽象的物理知识变成可以触摸的真实体验。这个实验不需要复杂的设备，只需要几根橡皮筋和一个空盒子，在家里就能完成。

实验材料包括：一个干净的纸盒或者塑料盒（鞋盒或者麦片盒都可以），几根粗细不同的橡皮筋（至少准备三种不同的粗细），一块小纸板或者塑料板作为隔板。实验的第一步是在盒子的侧面开一个圆洞，圆洞的直径大约等于橡皮筋拉伸后的宽度。然后把橡皮筋固定在盒子内部——可以在盒子内壁贴一小块胶带，把橡皮筋的一端绑在胶带上，确保皮筋能够从侧面的圆洞穿出来。皮筋的另一端可以绑在一支铅笔上，这样能够更方便地调节皮筋的张力和振动长度。

现在用手指拨动露在盒子外面的那截橡皮筋，仔细观察和倾听。橡皮筋会来回振动，发出嗡嗡的声音。用手指轻轻触碰振动的皮筋，能感觉到皮筋在手指下颤动。如果把手指放在皮筋振动的节点位置——也就是振动幅度最小的位置——手指不会被皮筋弹开；如果放在振动的腹部——振动幅度最大的位置——手指会明显感受到皮筋的弹跳。节点和腹部的交替出现是驻波的特征，这个现象说明皮筋的振动不是简单的来回摆动，而是形成了稳定的波动模式。

接下来可以改变皮筋的粗细，再次拨动并比较声音的变化。粗皮筋振动较慢，声音偏低沉；细皮筋振动较快，声音偏尖锐。如果条件允许，还可以把盒子内部的空间想象成一个小型的共鸣腔——把盒盖盖上后再拨动皮筋，声音会更响一些，这是因为盒子里面的空气也在跟着振动，放大了皮筋的声音。这个放大效应与我们前面讨论的口腔共鸣、哨子的空腔共振是同样的物理原理。

通过这个实验可以验证几个重要的声音原理。振动是声音产生的来源，没有皮筋的振动就没有声音。振动频率决定了音高，频率高则音高、频率低则音低。共鸣能够放大声音，适当的共鸣腔可以让微弱的振动变得响亮。这些观察和前面章节讲述的理论形成了对应，把书面上抽象的物理概念变成了亲身经历的感受。

本章小结

声音的产生、传播和接收构成了一个完整的过程。声音来自振动，任何物体在振动时都会产生声音；振动需要通过介质传播，在空气中以每秒340米的速度向四周扩散；振动到达人耳后，经过鼓膜、听小骨、耳蜗和听觉神经的接力处理，最终被大脑解读为我们可以理解的声音信息。

敲鼓、说话、吹哨子这三个场景分别展示了三种不同的发声方式：物体直接振动发声、人体器官振动配合共鸣腔发声、气体流动引起空腔共振发声。物理层面的声音只涉及振动、频率、振幅等物理参数，而语言声音在此基础上增加了意义系统，同一套声波在不同语言规则下可以代表完全不同的含义。不同语言使用不同数量和类型的音素，声调等超音段特征在某些语言中承担辨义功能，在另一些语言中则不承担这种功能。

用橡皮筋和盒子制作的简易装置能够让看不见、摸不着的振动变得可以观察和触摸，这是理解声音物理本质的有效方法。振动无处不在，声音无处不在，关键在于学会观察振动、理解振动、进而理解我们生活其中的这个充满声音的世界。

下一章将深入探讨语言声音的最小单位——音素。我们将了解不同语言有哪些不同的音素，音素和音位的区别是什么，人体发声器官怎样配合才能产生各种各样的音素，以及为什么不同人说同样的词时声音并不完全一样却能够被正确理解。