记住两个关键词：“振动”和“共振”
本刊今年第9期发表专辑“光照亮了世界”之后，许多读者寄来读后感想，其中不少读者提出还希望了解关于声音的知识。声音同光一样，也是一种波，即声波。那么，声音具有哪些性质呢？此外，乐器同声音密不可分，而且不同于敲击一般器物的声音，乐器发出的声音各有不同的音域和独特的音色，悦耳动听。本文打算通过分析乐器的发声原理来介绍声音的各种性质。
翻译/王鸣阳
我们的周围总是充满了各种各样的声音，进入我们耳朵的声音有噪声，也有音乐。这其中，乐器所发出的具有不同音域和音色的声音，自古以来就是人类生活的一部分。本文打算通过对乐器发声原理的分析来介绍声音的性质。先从声音是一种什么现象说起。
什么是声音？
是否可以用一句话来概括“什么是声音”呢？日本九州大学艺术工学研究院的吉川茂教授是研究乐器音响学的专家，他说：“声音是一种压力（严格地说是‘压强’）发生快速变化的现象”。
没有声音，也就是空气的大气压不发生变化，保持恒定的一种状态。空气的压力不停地变化，一会儿高于大气压，一会儿低于大气压，这种压力变化传播到我们的耳朵，就是我们所听到的声音。
一般说来，压力的这种变化是非常小的，变化的幅度通常大概仅为大气压的100万分之1。我们人耳所能听到的声音，换句话说，也就是我们耳朵能够感觉到的空气压力的这种高低变化，最慢是每秒变化20次，最快是每秒变化两万次，也就是说，是那些快速的压力变化。
吉川教授说，“我们可以举气球破裂时发出声音的例子来说明声音是空气压力的快速变化”。我们用手挤压气球，气球内部气体的压力发生了变化，此时我们却听不到声音。但是，用一根针刺破气球，立即就会听到“砰”的一声很大的声响。这是因为气球内部的压力高于外部空气的大气压，气球被针刺破，内部的空气一瞬间冲出，压缩周围的空气，产生了一个高压区。
空气具有像弹簧那样既可以压缩也可以膨胀的性质。气球破裂所产生的空气的高压部分很快就会膨胀，恢复到原来的大气压。而且，这部分空气在恢复到原来的大气压之后，膨胀还会继续，从而使这部分空气的压力反过来又低于大气压。
气球破裂时，空气的压力就这样在瞬间之内交替着一会儿高于一会儿低于大气压。这种空气压力的快速变化向周围空气扩展开来，到达我们的耳朵，就是我们所听到的气球破裂的声音。
空气振动发出声音
当压力的变化在空气中传播时，其实是空气中交替出现的空气分子密度大的高压部分和空气分子密度小的低压部分在向周围扩展，也就是说，传播的是一种“疏密波”。这就是“声波”。
声波进入耳朵，最后到达鼓膜。在这里，空气的压力变化使鼓膜发生振动。鼓膜的振动通过耳小骨和淋巴液传递到“基底膜”使之振动，最终引起“有毛细胞”的纤毛振动，变成神经细胞信号。这种信号传递到大脑，我们便感觉到了声音。这个过程非常类似于话筒把声音转换为电信号的拾音过程。空气的压力变化变成话筒膜片的振动，然后再转换为电信号。
从这个过程我们知道，作为空气压力快速变化的声音能够引起振动。那么，反过来，若使空气振动形成压力的快速变化，便能够产生声音。
例如，用手指敲击桌面，或者钥匙掉落在地上，都会发出声音。这是因为桌面或者钥匙的振动挤压周围的空气，引起了空气的振动。在立体声耳机中，就是把电信号转变为耳机膜片的振动来发出声音。这个过程，依据的是同话筒恰好相反的原理。
空气振动的方式不同，产生的声音也不相同。空气的振动方式决定了“声音的大小”（音量，又称“声强”或“响度”）和“声音的高低”（音高，又称“音调”）。
在露天举行的摇滚音乐会上，你如果站在那个很大的扩音器前，将听到震耳欲聋的声音，连身体都会感觉到振动。但是，听别人说话，你是不会感觉到身体振动的。声音的这种大小，取决于空气高压部分和低压部分之间的压力差。
声音的高低也同振动的方式有关。通常，敲击金属板发出的声音要比敲击木板发出的声音高。这是因为，金属板的振动频率（单位时间的振动次数）要比木板的振动频率高的缘故。振动频率低的声音，我们听起来是低音；振动频率高的声音，听起来是高音。
利用“共振”可以放大声音
乐器发声利用的就是这种振动产生声音的原理。振动产生声音还存在着一种被称为“共振”（又称“谐振”，在专门讨论发声装置时，又叫做“共鸣”或“共响”）的现象。这种现象在乐器的制造中总是被有意识地加以利用。
乐器大体可以分为三类。
……
（更多精彩图片及完整内容请阅览《科学世界》2007年10月号）
