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屈凡明闻声识人声音的物理云里midd
第十四课
闻声识人——声音的物理
主讲人
《云里·物理》系列微课简介
各位同学，观众朋友欢迎来到悟理学院，在这一讲我想介绍一下闻声识人——声音的物理。
首先来解释一下“闻声识人”，闻是听的意思，在中医当中有“望闻问切”，这个闻主要是听病人的声息，从物理的角度来讲，声音是一种波，可以称它为声波，识人就是辨别一个人，比如说大家在教室里嬉戏打闹，然后突然听到一个熟悉的声音，大家就知道马上要安静下来了，为什么呢？因为你从声音判断那是班主任。这时自然联想到一个人的声音其实代表了他的一个特质，就像每个人的指纹一样，声音也是有声纹的。我们的声纹其实是包含了一个人发出的声音中所有频率的信息，而每一个频率又有它相应的响度，将所有的频率、响度综合起来就构成了一个人的声纹。说话时摸一下自己的喉结会发现声带是在振动的，人声其实是由声带、鼻腔、胸和口等综合起来发出的声音，由于每个人的身体结构都不一样，所以每个人发出的声音产生的声纹也都是不一样的，基于这种不同，我们就可以有声纹识别。
声纹
大家对于指纹比较熟悉，比如用指纹解锁手机、电脑或者是一些密码锁等，声纹也同样有识别作用，比如我们给银行打电话过去，银行原则上是可以通过我们的声纹来鉴别身份。但是声纹和指纹相比也有它弱势的地方，随着年龄的变化或者是身体状态的变化，声纹会发生一些变化。如果我感冒了，声音会立马改变，这是它应用方面的一个小缺陷。
再提出一个问题，我们说话的时候，自己听到的声音和听众听到的声音是一样的吗？如果大家有一些经验，当用手机发一条语音信息，自己再听一遍，会发现这个声音和自己感受到的不一样。从原理上来说，它就应该是不一样的，为什么呢？因为我们自己说话的时候，声音通过空气传播出去，这个声音也会重新到我们的耳朵里，但同时自己的骨骼、肌肉也会把这部分声音传给耳朵，由于在固体、液体、气体当中，声音传播的速度是不一样的，也就是到达我们耳朵的声音有先后顺序，我们自己感受到的声音就是这三部分的叠加出的综合的声音，而听众只感受到通过空气传播出去的声音，这样就导致我们说话的时候，自己听到的和别人听到的声音是不一样的。
刚才提到了一个词——空气，在说话的时候，空气其实起着很重要的作用，只不过是因为我们处在大气环境中，平时很容易把空气忽略了。假如说我们没有空气，而是另外一种气体，说话的时候会发生哪些改变呢？这里使用一个小道具，里面充满氦气，大家如果玩过气球会知道，气球里面大部分装的就是氦气，为什么要用氦气？因为氦气的密度比空气要小很多，使得氦气球能在空气当中浮起来。但是对于我们发出声音来讲，如果把肺里的空气尽量地排出再吸入氦气来说话，会发生哪些改变？在吸入了氦气以后，说话的音调明显会变高，重新吸入空气后，又逐渐会恢复正常。音调变高说明声带振动的频率变高了，这意味着空气其实是在我们说话的时候起着至关重要的作用，它不仅帮助我们发声，同时也把声音传播出去。
次声、可闻声和超声
01
根据人耳能不能听到声音，我们把声音划分成次声、可闻声和超声。人耳能够听到的声音频率大概是20到赫兹，次声频率小于20赫兹，超声频率大于赫兹。声音在空气中传播的时候，肉眼是看不见的，而实际上它是空气的周期地振荡。如果能看这些空气分子，它会是一个密疏密疏的周期振荡，它的振荡方向和声波的传播方向一致，也就是说声波是一种纵波。在这里强调一下，声音是在一定介质当中传播的，一般主要是空气。
可能大家对科幻电影都很感兴趣，在科幻电影中有很多情节都是和物理相关的。比如在《流浪地球》的一个片段里，两位宇航员在外太空中，为了烘托出紧张的气氛，电影配了一个背景音，忽略掉这个背景声还有哪几个声音呢？一个是这两个宇航员对话的声音，另外一个是碰撞的声音，还有一些碎片从身边快速飞过的声音。大家来思考一下这两个宇航员在太空中能够对话吗？实际肯定可以，否则他们之间就无法交流了，但外太空中没有空气，不能像我们现在这样面对面地说话，因为声音是通过空气传播的，所以他们的交流肯定不是借助于空气的传播。在这个时候利用的其实是无线电技术，就像对讲机一样把声音转换成电磁波传送过去，电磁波的传输当然就不需要介质了，这两个宇航员之间的沟通实际上是通过电磁波。然而还有一部分声音是碰撞的声音和碎片快速飞过的声音，在太空中能不能听到这些声音呢？答案是否定的，因为太空中没有空气，就算是一个物体再快速地通过，也不会有声波传到我们的耳朵里，所以这两个声音其实是为了效果加上去的特效，却违背了科学原理。学习了这些知识以后，希望大家能用科学的眼光看电影，应该能够分辨出科幻电影里面哪些是人为加上去的特效而与科学看似是违背的。
《流浪地球》剧照
乐音和噪音
02
在日常的声音中，又可以分为乐音和噪音。乐音比较容易理解，比如在上学的路上或者是安静的时候，我们都可以听一听音乐，要么让自己愉快，要么让自己舒适，这些声音都可以称为乐音。乐音有自己的音调、响度和音色这三个最基本的特征。当然音乐有时候也会变成噪音，比如说大家要睡觉的时候，如果有人在放音乐，你就觉得很烦躁，那么这个时候的音乐就叫做噪音。除此以外像汽车的鸣笛声、马达的轰鸣声或者是施工的声音等，我们不需要的声音都可以归为噪音。当然了乐音和噪音之间乐音和噪音没有严格的界限，根据我们日常生活中是否喜欢这个声音，依据个人的感受来定的。
对于噪音，也有一些技术手段把它去除。根据声音的这些特质，可以从三个阶段可以把它去除掉，一个就是在声源处，比如把喇叭给关掉或者是把电脑给静音掉；其次是在它传播的过程中，比如别人家里装修房子的时候可以放一些隔音棉将外界噪声隔绝；另一个就是从人耳处，比如戴耳塞睡觉。在声源和人耳处比较容易理解，那么在传播过程中隔音棉是怎么工作的呢？介绍一个生活的小常识，雪后的环境总是格外的安静，因为刚下完的雪是一种蓬松多孔的结构，通过空气振动的声波传播到蓬松的雪里，声音会被反射吸收，甚至引起一些小的振动，那么声能就逐渐地被吸收掉了。
去除噪声的三种途径
蓬松的雪就有吸音的效果，使大家觉得格外的安静。等雪后过了一段时间，人们活动的范围增大，路上的汽车变多，狗子们也都出来玩耍，这个时候雪被压实了，它的蓬松吸音的功能就没有了，我们周围也就恢复了以往的喧嚣。这样就是说吸音的材料像吸音棉都是一些蓬松多孔的材料。
对于个人来讲有乐音和噪音之分，但是对于一些大型的场所像大礼堂或者音乐厅或者是电影院，这些场所对声音的要求比我们个人对声音的要求会更高一些。在人民大会堂这个万人大礼堂，它对声音的要求有什么呢？我这里主要列了三点：一是要有合适的混响时间，当领导人在主席台上讲话，声音除了直接传播到听众的耳朵里，也可以继续传播到墙上反射回来，甚至发生多次反射，如果这个声音就会持续几秒钟，甚至十几秒钟才消失掉，这个时间就太长了，使得我们听到的声音是一种嗡嗡的声音不够清晰。混响时间是声音从60分贝降到0分贝所用的时间，比较理想的混响时间是1到2秒。那么另外一点是有时候要开会，有时候是演出，开会的时候领导人发言必须非常清晰准确地传达到每一个听众耳朵里，而如果是开音乐会就要有非常立体均匀的声音。除此以外，大会堂噪音需要降到很低，外界的噪音要被很好地隔绝掉。这三点要求其实也是设计者们所必须考虑的。对于这样的一个大礼堂，科学家经过测试模拟，最后给出了一些方案。
我们这里主要讲三点：一个就是在两侧墙壁和后侧墙壁放了一些吸音结构，这些吸引结构由多层板组成基本框架，在这些板之间又放上这些矿渣棉，矿渣棉具有疏松多孔的结构，它们可以起到非常好的吸音效果。声音传播到墙上以后很多会被吸收掉，反射回来的声音会被很大地削弱，这样就可以保证它的混响时间。地面上也会铺上地毯，同样起到吸音的作用。第二点是在开会的时候为了声音能够非常准确及时地传达到每一个听众那里，在很多座位上都安装了分散式的扬声器，这样声音就能够准确地传达。但是在演出的时候，又使用了立体的扬声器，并且是多角度的，这样就可以保证整个大厅里面声音非常地均匀并且有立体感。除此以外，这么一个大的礼堂并不是每次开会都是1万个人，有时候开会只使用一楼三千个座位，而二楼三楼空着，那这个时候的声音效果不就又发生改变了吗？其实有一些相应的设计，就是在二楼和三楼的皮椅底下装有一些穿孔的吸声结构，这些座椅就替代了一部分人对声音的吸收，就是相当于有一部分人是坐在那里了。这样能保证只使用一楼开会的时候，声音效果依然是非常好的。
人民大会堂
如图所示，这个表格给出了最后达到的一个混响的时间：在万人满座的时候大概是1.8秒，在空坐的时候大概是2.7秒，在人也就是只有一楼在开会的时候依然达到了2.3秒。除此以外，在很多大型的场合，比如说水立方或者是电影院、剧院等对声音都有仔细的考量和设计。
降噪耳机
03
对于我们个人来讲，除了刚才提到的乐音，当然还有一部分是去除噪音。也许有些人已经使用过降噪耳机，降噪耳机它有两部分的降噪途径：一个是被动降噪，另一个是主动降噪。被动降噪其实非常简单，就是耳机的设计和皮肤的贴合就比较严密，或者是用一个硅胶的耳塞塞得比较严实，就把人耳和外界隔绝开，将噪音隔绝掉，这是被动降噪。而主动降噪，就是人为地去干预噪声，将它消除掉。如何消除噪声呢？原理基本是这样的：可以用电子设备发射一个和噪声相反的一个反噪音把它消掉，所谓的相反就是幅度相同但是相位相反，这样噪音就会被很好地抑制掉。
降噪原理
如图所示，这个原理可以用于任何频率的声波，比如说上面这两条曲线，就表示的是一个低频的声波，下面这两条曲线，就是一个高频的声波，从原理上来讲，红线和蓝线都可以是一个反向位相位等幅度这样的两条声波，叠加以后就完全的地抵消掉了。
但是我们的耳朵实际上是有一些长度的，也就是在空间上，我们电子设备发出去的反噪音的波，可能有一些偏差。假如说我们两种情况下，偏差的空间距离是一样的，大家可以看到，对于这个波长比较长的低频的波，虽然有一点偏差，但是大概还是能够抵消掉的，但是对于高频的下面这两条线，虽然偏差的是一样的量，但是它们两支波的相位，基本上就相同了，反而起到了一个叠加的效果，可能使噪音反而更大了。那也就是说耳机的主动降噪功能，对低频的声波降噪比较好，对高频的声波降噪它有可能是无能为力的。
低频情况
高频情况
人耳其实对到赫兹波长的声波最为敏感，原因是什么呢？因为人耳到鼓膜之间的距离大概是2.5厘米，如果声波要形成共鸣的话，它的波长要求是距离的4倍，也就是说2.5厘米是波长的四分之一，这样就对应10厘米的波长。因为在空气当中声速是米/秒，你除以10厘米，就得到每秒钟要有0个波长，也就是0赫兹。综上所述，平均来讲，我们对到赫兹之间的声波是比较敏感的，这就是共鸣所导致的。
当然上边这张图，人耳能听到的声音大概在20到赫兹直接，而人能发出声音的频率大概是在到赫兹之间。能主动降噪的声音频率大概是到0赫兹之间，那么高于0赫兹的就靠被动降噪。
次声
04
前面主要讲的是可闻声，现在讲一下次声，次声是频率小于20赫兹的声波。由此可得它的波长比较长，它可以很容易地绕过障碍物，传播较远。次声其实在咱们生活当中很常见，只不过是人耳听不到，所以感受不到，比如说汽车火车通过的时候肯定会产生次声。次声还与很多的自然现象有关系，比如说地震、雷暴、火山喷发等。既然次声与这些自然现象有关，那么也可以利用次声来预警这些自然现象。某些自然灾害会产生次声，当它发生的时候，我们就可以去监测某些次声的强度从而推算火山喷发是什么样的强度等。
次声武器
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次声可以用来制备次声武器，包含两部分：一个是针对神经的，一个是针对器官的。《嫌疑人X的献身》里就出现过定向声波发生器，作案嫌疑人是在自己的车上用定向声波发生器向对面的车发出了很强的次声波，对面的人他表现出了很痛苦的样子，他可能出现了耳鸣或者是神经失去了作用，甚至失去了对车的控制。这是为什么呢？
其实这和次声的特点有关系，次声波是低于20赫兹的这样的声波，在大脑中其实有一部分脑电波，它的频率也是在几赫兹这样的一个低频的区域，当有很强的次声波射到我们的身体，就有可能对我们的神经造成损害，比如说使我们失去知觉等对神经的损害。另外我们的内脏器官其实都是在振动的，它的频率大概是0.01到20赫兹，正好和次声的频率对上了。如果是次声的功率比较强，可能使得我们的内脏发生共振，所谓共振就是说使得我们器官它的振幅越来越大，这样就可以对我们的内脏器官造成一个非常大的损伤，这就相当于一辆很重的车撞击过来一样。这是次声武器对神经的或者是对内脏器官的损害，都是因为频率比较相当。
超声
06
除了次声以外还有超声，超声是大于赫兹的声波。因为它的频率比较高，所以它的波长也就比较短，它的传输距离也可以很远，超声能量也可以非常高。在日常生活当中，我们经常听到和声波相关的一些应用，比如说声呐，它可以探测海底的形貌，或者是在潜艇之间一些探测、通讯等等；医院里面的B超，发一束超声波射向体内，由于咱们身体里不同的组织器官对超声波的反射是不一样的，我们就可以在体外来探测回声，并通过软件处理把它的形貌显示在屏幕上，这样就可以完成在体外无伤地对咱们身体内部的一些探测和诊断。
除此以外在实验室里经常用到超声波清洗、超声波焊接等；在日常生活中，可能很多人都使用过超声波的加湿器，如果把它拆开，会发现里面有一个高频的振荡器在1.7兆赫兹左右振荡，这些高频振荡的声波可以把水打碎成一些小的水滴，直径大概1到5个微米，里面还会有一个风扇就把这些小水滴吹到我们的空气当中形成水雾，这样就起到了加湿的作用。
超声波加湿器
声悬浮
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还有一个超声相关的应用叫做声悬浮，声悬浮其实和电磁悬浮有着类似的功能，就是把一些物件无接触地悬浮起来。磁悬浮利用了电磁的一些性质，而声悬浮利用了声波的性质，主要是利用了驻波的性质。由于它可以悬浮起来一些小颗粒，就能把它称作为声镊。声悬浮是利用了超声波在能量比较大的时候有一些非线性效应，假如有一个超声波声源，超声波射向另外一个反射面的距离是可以调节的，如果把这两个之间的距离调节到半波长的整数倍，就可以形成驻波。
驻波的形成
驻波是怎么形成的？声源处发出的波与反射回来的波相互叠加，如图所示，蓝色的和紫色的这两束波叠加以后就形成了驻波，驻波就是咱们图上的红色的波形。大家如果看这个驻波的话，可以发现有一些点它是不振动的，这些点我们就称它为波节，还有一部分点是振荡的幅度最大，我们称它为波腹。
前面提到声波在空气中传播的时候是空气里分子在做周期振动，假如我们把一个非常小的颗粒放在了这样的一个驻波当中，它就会停留在波节的地方不动，我们就可以用这个原理把一些小的颗粒悬浮起来。在有重力的环境下需要克服掉这些小颗粒的重力，我们可以把这些小颗粒放在波节稍微偏下一点的位置，使得声波辐射的力来抵消掉它的重力，这样它就可以悬浮在空气当中。
声悬浮
声悬浮有着广泛的应用。可以创造无容器的状态，因为一般研究小颗粒的时候，要么是把它放在一个容器里，要么是把它放在一个载片上去研究，这个时候无论是载片还是容器，都会小颗粒有一定的作用，产生有一定的影响。而如果用声悬浮就可以创造一个无容器的状态，用于研究某些凝固理论或者是某种制备工艺。
模拟空间无容器状态
举一个例子介绍一下声悬浮的应用，常识告诉我们，水是在0摄氏度的时候就要结冰的，但是如果是纯净的一个小的水滴，我们把它悬浮起来的时候在零下十度也不会结冰，到零下三十几度的时候才可能结冰，这是为什么呢？因为水在结冰的时候是一个结晶的过程，水要逐渐地变成晶体，而结晶是需要晶核，也就相当于你要给它一个出发点让它开始结晶。如果是我们把水滴悬浮起来，这样就没有杂质或者是没有容器的器壁给它做晶核，那么水就会很难结冰，它就会一直持续到零下可能三十几度才去结冰，这就是一个过冷现象。这个现象在容器中是很难去实现的，因为容器壁有可能对它产生影响，这时候就可以用声悬浮来研究类似的物理过程。
今天咱们的这节课就主要讲了次声、可闻声、超声以及一些相关的比较基本的物理现象，有一些和咱们的生活息息相关，有一些可能是大家日常中不容易接触到，但是实际上背后也有很多应用。通过这节课能让大家对声学有一个初步的认识，声学不只是说具有通常交流、说话、通讯的作用，它其实还有很多特殊的应用。
这节课就到这里，谢谢大家！
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