声振论坛 首页 振动理论 振动控制 查看内容

趣谈——共振的魔力

2018-10-15 10:29| 发布者: weixin| 查看: 421| 评论: 1|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 到底什么叫声共振呢?
  古都洛阳的寺院建筑向来著称于世。北齐杨衔之有名作《洛阳伽蓝记》记之。其文曰:“高风永夜,宝铎和鸣,铿锵之声,闻及十余里。”可谓庄严肃穆。杨氏这里所写的景象,是当年的永宁寺。唐代开元年间,这里曾有个住持刘和尚,他的禅房里挂着一个很大的铜磐。和尚们念经时,刘住持便击磐为乐。群僧诵经,嗡嗡有声;铜磐作响,浑厚悠长。那种境界,简直是“忘我无我”,“超尘脱俗”了。

  一日晚上,刘住持独自打坐,外面残月无光,冷风飕飕。室内,蓝烟缥缈,烛光跳跃,静得怕人。忽然,那铜磐铿然而响,声韵清纯,绵绵不绝。刘住持猛然惊醒,以为哪个大胆的小和尚过来捣蛋。他睁开眼,环室而视,哪里有半个人影!只见得清灯冷影,蓝烟弥屋。唯有那铜磐响声如旧,顷之才逝。老和尚顿时一身冷汗,取下墙上佩剑,里里外外急急搜索,半个时辰过去,一无所获,便又盘腿打坐。刚刚入境,那铜磐又响亮地唱起来。这下老和尚可被吓坏了。他大呼有妖,众僧闻声急至,呼三喝四,到处拿妖。那铜磐偏偏又哑然无音了。

  刘住持受此惊吓,一病而倒,延医问药,半月卧床不起。宫庭太乐令曹绍夔是刘住持的至交,得知好友卧病,便前来探望。曹绍夔进得刘住持的卧房,但见那老和尚躺在床上,面色苍白,双目紧闭,实在是病得不轻。服待的小和尚轻轻唤醒住持。曹绍夔坐在床沿握住了住持的双手,心里不禁一阵酸楚。刘住持微睁双眼,见是老友在前,喃喃说道:“绍夔呀,想不到还能见你一面……吾命休矣……”老和尚泣不成声,太乐令好言相劝。等刘住持的情绪稳定下来时,曹绍夔详细询问了生病的经过。最后,太乐令安慰住持说:“如此看来,乃妖孽作祟。小弟曾投师学道,识得妖相,亦通擒拿之术。刘兄且好生养病,待吾暂住此间,为你捉妖除怪。”言罢辞去。

  曹绍夔回到皇宫安顿诸事之后,于傍晚时分复回寺中。他真的要“捉拿妖怪”了。其实,曹绍夔并非道家门徒,而是一个很有造诣的声学家。当他听完刘住持介绍的情形之后,心中已猜着了八九分的“妖相”,只是未见其实,不便明言罢了。

  太乐令道袍加身,仗剑披发,独坐禅堂,右手五指并拢,伸于面前作法。禅堂内四面空空,寂然无声。那只铜磐,赫然挂于团尘一旁,真有些森森可怖。

  二更时分,那铜磬果然又响起来。曹绍夔跃身而起,来到磬前,仔细观察,并无异相。他随即走出室外。室外天朗气清,附近寺院正是钟声相鸣。“原来如此!”他哈哈大笑,快步来到刘住持卧房,一进门便喊:“老兄请起,妖怪捉住了!”刘住持一阵高兴,一骨碌翻身下床,病就去了八九分。曹绍夔接着说:“刘兄当召集众僧,设宴庆功。老弟要在众僧面前斩妖消恨。”

  不多时,几桌素宴就在禅堂摆好。众僧人急着要看“杀妖”,却不见太乐令的一点动静,只见他开怀畅饮,与老朋友天南海北闲聊不停。这刘住持也似乎已经病体大康。待到酒足饭饱,曹绍夔高声叫道:“诸位请看贫道杀妖!”说罢走到那铜磬前边,从怀中取出锉刀,在铜磬上面,锉了几处。锉罢,又哈哈大笑,说道:“其实寺中并无妖怪。要说妖怪,就是老兄这只铜磬。大家有所不知,这只铜磬的音律恰好和附近寺院的大钟的音律一样。在一定的气象条件下,寺院的大钟敲响时,这只铜磐就会应声响起来。现在我锉了几刀,改变了它的音律,自然以后就不会不击自鸣了。哈哈哈。”

  刘住持与众僧听了曹乐令的解释,疑团冰释,也齐声大笑起来。老和尚的病也就完全跑掉了。这个故事生动地告诉了人们,我国古代就对“共鸣”现象早有研究。事实上,早在公元前三四世纪,我国的春秋战国时期,在《庄子》一书中就记载了调瑟时发生的共鸣现象。书中说,置于一堂的几个瑟,在调整瑟弦时,若弹其中一个瑟的某一根弦,另外一个瑟对应的瑟弦也会发生振动而出声。再调其他一根弦时,另外一个瑟相应的弦又发生了振动。庄周认为,这种共振现象的原因在于“音律同矣”,即发生共振是由于两张瑟对应的弦有相同的音律的缘故。这种分析是十分精辟的。公元2世纪的晋朝人张华对声学也很有研究。相传当时有一殿前大钟无故作响,许多人不知何故,十分惊异,便去请教张华。张华说,这是因为蜀郡有铜山崩塌,所以引起大钟自鸣。不久,蜀郡上报,正如张华所说。还有一次,朝中有一个铜盘,早晚自鸣,仿佛有人敲击一般。人们又请张华解释。张华说,这个铜盘与宫中的大钟音律相同,宫中朝暮撞钟,引起铜盘自鸣。张华让主人用锉把它锉得轻一些,这个铜盘就不复自鸣了。到了明代,声学研究发展,制钟技术更为高超。当时制成的永乐大钟,伴随在钟声中还有丰富的音调,可使京都内的许多寺院的钟引起共鸣。永乐大钟一响,其他小钟跟着作响,气势非凡,给许多人以神秘之感。可见在我国古代,对声共振的研究,已经成绩不小。

  那么,到底什么叫声共振呢?

  大家知道,一个振动系统振动起来以后,它的振动频率就稳定在某一频率上。这个频率是由振动系统本身的物理性质来决定的,称作“固有频率”。如果再给振动系统外加一个周期性变化的驱动力,振动系统原来的振动情况就会发生变化。经过一段时间后,振动系统只能随外加驱动力的频率来振动,这种振动称作“受迫振动”。还有一种特殊的情况,就是当外加驱动力的频率恰好等于振动系统的固有频率时,系统振动的振幅就会达到最大,这是由于驱动力可以源源不断地给系统补充能量的缘故。这种现象就是“共振”。让我们做一个简单实验。在绷紧的水平绳上悬挂四个单摆,其中除了B、D摆长相同外,A、B、C三个摆长均不相等。我们给D一个力使它摆动起来。由于绷紧的绳的作用,A、B、C三个单摆都振动起来,可以明显看出,B的振幅最大。

  声学中的共振现象叫共鸣。让我们再取两个完全相同的音叉,它们的固有频率是一样的。当敲击其中一个音叉,这个音叉就发出一定频率的声音,若把另一个音叉插在共鸣箱上以增大音量,你会发现,第二个音叉虽没有敲,却跟着第一个音叉响起来。这是由于在第一个音叉发出一定频率的声音后,经媒质空气传到第二个音叉的位置,由于所传来的声波具有能量,相当于一个外来的周期性变化的策动力,使第二个音叉作“受迫振动”,而驱动力的频率就是第一个音叉的发音频率;又因两个音叉具有相同的固有频率,便产生了共振现象,使第二个音叉的振幅达到最大,所以人耳听到了它的响声。

  我国北宋时期的著名科学家沈括 (1031~1095),很早就对声共振进行了实验研究。他把两架古琴放在一起,把剪好的几个纸人粘在稍远的一架古琴的各个琴弦上,然后他弹动靠近自己的古琴。不论弹哪一根琴弦,都能使另一架琴的对应的琴弦上的纸人跳动起来,而其他琴弦上的纸人不动。沈括把这个实验叫“正声”实验。实际上,近代的实验只是把琴弦换成音叉,为的是更方便更准确地说明道理。

  前面曹乐令除“妖”的故事,实质上就是说明一种声共振现象。当寺院里的钟敲响后,传来的声波讯号中,恰好有频率等于磬的固有频率的讯号,即给磐一个同频率的驱动力,使它共振起来。虽然没有敲击,但仍然自己发出鸣声。曹乐令用锉磨去了磬的一部分,便改变了它的固有频率,与寺院的钟声的频率不再相同,不能产生共振现象,所以磐就不再自鸣了。对于明代永乐大钟的钟声,经现代科学仪器测定后,知道它发出的声音频率在500赫兹以下就有32种,所以难怪永乐大钟敲响后,能使很多小钟与之发生共鸣。

  声共振最重要的应用就是共鸣箱。用小锤敲击音叉,发出的声音响度很小,人耳听得不太清楚。找一个中空的木盒,把这个音叉插上去,再用小锤敲击,人耳就听到比刚才响得多的音叉声。这是因为木盒与音叉产生了共振的缘故。在物理学上,人们能把与声源发生声共振的箱体叫“共鸣箱”。

  如果没有声共振,即没有“共鸣箱”的帮助,人说话、唱歌的声音就很微弱。只靠气流冲击声带发音,很难让别人听到。实际上,我们说话时,声带靠呼出的气流冲击引起振动,再加上口腔、口咽腔、鼻腔、喉腔以及胸腔组成的共鸣腔产生共振,才使声音达到我们听到的响度。

  大部分乐器都有共鸣箱,没有共鸣箱,乐器也就不成其为乐器。尤其是弦乐器,它那单纯的弦振动发音甚小,只有加一个共鸣箱,才能够得上演奏的响度。我国的二胡、三弦等乐器,就是在木筒上绷上牛羊皮、蛇蟒皮,依靠这些皮膜振动发音再与空筒共振而加强音响的。北宋时的沈括是第一个用共鸣理论指导乐器制作的科学家,他曾建议,用干透的多年的桐木制作古琴,共鸣效果甚佳。

  西方的小提琴共鸣箱的研究,经历了较漫长的历程。公元8世纪,阿拉伯艺人就把印度人发明的小提琴带到了西班牙,以后又慢慢地普及到欧洲各国。但一直到16世纪以后,在声学理论研究的指导下,其共鸣箱才不断改进和完善。这期间,涌现出一大批制造高级小提琴的能工巧匠。尤其是意大利北部的小镇克莱摩纳,产出了世界上最名贵的小提琴。这座古镇曾经有阿玛蒂祖孙三人,因造出了“阿玛蒂提琴”而名垂千古。经过他们的双手制成的小提琴,音域宽广,音色优美。他们的徒弟史塔弟发利更是“青出于蓝胜于蓝”,他在1700~1730年间共制成提琴430多把,至今被公认为是历史上空前绝后的最好的提琴。他造的提琴,现在每把价值百万美元。

  史塔弟发利所以取得如此巨大的成就,就在于他对提琴共鸣箱的研究更有独到之处。他总结先人的宝贵经验,利用祖辈从树林里东敲西敲早已选好的木料,并在盐水里泡过几十年,然后才晾干加工。用这种材料制成的小提琴共鸣箱再不会因气候的变化而开裂变音,这就是他制造高级小提琴的“绝招”。史塔弟发利还对提琴的腹板、背板的薄厚、箱体的外形及内部的组合、涂漆等各道工序,都精益求精,使小提琴的共鸣箱几乎可以和人耳能听到的所有乐音都产生共鸣。

  共振可给人类带来的好处不胜枚举,但共振还会给人们带来难以估计的灾难。18世纪中叶,法国里昂市有一座长102米的大桥。当一列士兵迈着整齐的正步过桥时,桥梁越来越剧烈地振颤起来,最后轰然一声,桥梁断裂。近千名士兵跌落河中,226人丧生,造成震动世界的悲剧。1906年,俄国有一队骑兵用整齐的步伐通过圣彼得堡的一座木桥,突然桥身剧烈振动,紧接着一声巨响,结实的大桥崩塌了。士兵连人带骑跌下桥去。1940年,美国华盛顿州一座刚建成4个月的大型吊桥,一天,一阵大风吹过,桥身剧烈振动,坚固的桥面折断,钢索脱落,造成重大事故。以上这些惨剧的发生,都是由共振造成的。正是由于士兵过桥时步伐的频率和阵风的频率,恰好接近于桥的固有频率,使桥面发生共振,振幅达到最大,超过桥能够承受的限度,最终引起桥毁人亡。

  现代建筑、桥梁的设计,都要考虑它的固有频率,尽可能不要与动力源的频率、大风的频率、可能发生的地震频率接近,并且采取一系列其他防止共振的措施,以减少共振造成的损坏。

  我国古代科学家张衡,在公元132年制成的世界上第一个测定地震方位的仪器--候风地动仪,就是利用共振原理来测定地震方位的。当地震波从远方传来时,就引起地动仪相应的杠杆机构的共振,带动龙嘴松动,吐下铜球,跌入下面对着的蛙口之中。公元138年二月初三,地动仪的一个龙机突然发动,吐出铜球。当时京城的人们无异样之感。几天后,千里之外的甘肃陇西飞马来报,那里在二月初三当天发生了地震。张衡的地动仪可以测出最低烈度为三度的地震(按我国十二度地震烈度表计),确实很了不起。因为它必须能排除过往车马以及其他振动的干扰,不使龙口吐出铜球,又特别灵敏可把千里之外的振动波感觉出来,还要触发杠杆动作定出方位,真是难上加难。现代复原的地动仪模型,远不能像张衡原来的地动仪那样准确地测定地震方向。张衡的成就比西方早1700年,至今也不逊色。

  来源:物理小识公众号(ID:wulixiaoshi),原文来自搜狐教育,作者:汪春。

发表评论

最新评论

引用 caogang7758 2018-11-15 15:26
我想知道共振的产生机理是什么?弹性波的叠加么?

查看全部评论(1)

返回顶部