王振东:飞湍瀑流争喧豗——漫话流体运动致声和声音的双重作用

选择字号:   本文共阅读 4743 次 更新时间:2006-09-29 07:58:33

进入专题: 科学精神  

王振东 (进入专栏)  

  

  连峰去天不盈尺,枯松倒挂倚绝壁。

  飞湍瀑流争喧豗,砅崖转石万壑雷。

  这是唐代诗人李白(701~762年)的名作《蜀道难》片断。《蜀道难》相传是唐玄宗天宝初年,李白第一次到长安时,袭用乐府古题,用浪漫主义的激情,对秦蜀道路上奇丽惊险的山川所作的生动描绘。这段七言古诗片断,被认为是从山川之险揭示古时蜀道之难,描写达到登峰造极地步的四句。诗人先托出山势的高险,用“连峰去天不盈尺”夸饰山峰之高,“枯松倒挂倚绝壁”衬托绝壁之险。然后由静而动,又用“飞湍(tuān)瀑(pù)流争喧豗(huī,喧豗指轰响声),砅(pēng,撞击意)崖转石万壑雷”写出飞流而下湍急的瀑布争竞作响,水石激荡,山谷轰鸣的惊险场景。这好像是一连串的电影镜头:开始是山峦起伏、连峰接天的远景画面;接着是平缓地推出枯松倒挂绝壁的特写;而后是一组快镜头,飞湍、瀑流、悬崖、转石,配合着万壑雷鸣的音响飞快地从眼前闪过,惊险万状,目不暇接,从而造成一种势若排山倒海的强烈艺术效果,使古蜀道之难的描写达到了让人惊心动魂、望而生畏的地步。诗人的这组快镜头正是用飞流惊湍、悬崖落瀑造成的万壑雷鸣的流体运动致声的景象,来达到浪漫主义的艺术描写的。

  实际上,不少古代诗人都有涉及流体运动致声的诗句,如高适(约702~765年)《金城北楼》:

  湍上急流声若箭,城头残月势如弓。

  岑参(约715~770年)《走马川行奉送封大夫出师西征》:

  轮台九月风夜吼,一川碎石大如斗,隨风满地石乱走。

  刘禹锡(772~842年)《浪淘沙:八月涛声》:

  八月涛声吼地来,头高数丈触山回。

  唐肃(1328~1371年)《峡口晚泊》:

  渐闻湍响急,渡峡是归州。

  高启(1136~1374年)《登金陵雨花台望大江》:

  石头城下涛声怒,武骑千群谁敢渡?

  唐代诗人韦应物(约735~约792年)与众不同,擅于思理,写有两首涉及思考流体运动为什么会引起巨大声响问题的五言古诗,其一是《听嘉陵江水声寄深上人》:

  凿崖泄奔湍,称古神禹迹。夜喧山门店,独宿不安席。

  水性自云静,石中本无声。如何两相激,雷转空山惊。

  贻之道门归,了此物我情。

  其二是《赠卢嵩》:

  百川注东海,东流无虚盈。泥滓不能浊,澄波非益清。

  恬然自安流,日照万里晴。云物不隐象,三山共分明。

  奈何疾风怒,忽若砥柱倾。海水虽无心,洪涛亦相惊。

  怒号在倏忽,谁识变化情?

  韦应物这两首诗,不仅形象地描述了流体运动致声的现象,而且还对流体运动为什么会致声,深入思考并提出了疑问:“水性自云静,石中本无声。如何两相激,雷转空山惊。”“海水虽无心,洪涛亦相惊。怒号在倏(shū)忽,谁识变化情?”云静的水和无声的石为什么相拍激就会发出巨大的声响?海水为什么会产生惊涛,为什么突然会发出怒吼的响声?这使诗人在诗的结尾喊出了:“谁识变化情?”

  韦应物诗中提出了两个疑问,一是疾风何以引起海水的波涛?这是风生波的流动不稳定性问题,笔者将有另文专门讨论,这里暂不多述。另一是水石相激为什么会发生声响?波涛为什所会发出声响?这同属于流体运动为什么会发出声响的问题。

  

  声音是由物体运动产生的

  

  什么是声音?现在我们用“声音”一词有两重意思:客观的声波(或声振动),和人主观的声感觉(即响声)。声波是任何弹性媒质(气体、液体、固体)中传播的扰动(压力、应力、质点速度、质点位移等的变化,或其中几种量的同时变化)。弹性媒质的质点发生振动,以波的形式向四面八方传播开来,就在人的听觉器官上引起了声响的感觉。人可以听到的声波的频率范围为20Hz一20000Hz(每形振动一次为1赫,Hz是赫的符号)。20Hz以下的声波称为次声,20000Hz以上的声波称为超声。在不同的媒质中,声波的传播速度不同,在20℃和标准大气压下,声波在空气中的速度是344m/s,在水中的传播速度是1450m/s,在钢铁中的传播速度约为5000m/s 。

  声音是由物体运动产生的,然后通过幅射传播传到人耳引起听觉。水、空气、岩石都是弹性媒质,它们之间相撞(包括水与水,气与气相撞)都会发生振动,并以波的形式向四面八方幅射传播,凡在20Hz一20000Hz范围内的声波,人都可以听到。某些形式弹性媒质相撞所幅射的总声功率,己可以从实验和理论计算得到。

  声波发出后,遇见物体时还会反射、折射和衍射。人们听到的流体运动所产生的声响,往往是多种声波的组合。当区域的边界条件(如山谷等)使某几种声波互相激励、发生共振时,就会产生轰鸣的感觉。李白《蜀道难》诗中所写飞流惊湍、悬崖落瀑造成的万壑雷鸣的音响,也正是多种声波相互激励、产生共振的结果。

  我国古代不仅乐律、乐器等发展很早,对声学的理解也是先人一筹。东汉王充(27一约97年)在《论衡》中已将声与水波类比,对声音的波动性质有了正确的看法。北宋张载(1020~1077年)更明确地认为“声者形气相轧而成”,这包括气体相互作用的雷电、固体间撞击、固体高速穿过气体、高速气体喷注及其与固体相遇时产生声音的过程,几乎与今日的理解相同。张载还认为“声成文谓之音”(音指好听的声,现称为律音),“音和乃成乐”(音乐),“响之附声如影之著形”(响是声的作用,即人的声觉),“群呼烦忧”为噪(即噪声)。可见那时对声学理解的表达用字己相当讲究。

  

  声音的双重作用

  

  声音(包括流体运动所致声)对人的影响作用是双重性的。悠扬悦耳的乐曲能使人心旷神怡,消除疲劳。据考古发掘证实,我国约八千年前就已有笛,七千年前就有古老的吹奏乐器一埙,之后有钟、磬、鼓、琴、箫等。《诗经》中提到的乐器,有29种之多。唐代的乐器空前发达,加上外域传来的,据记载己有300种以上。北宋沈括(1031~1095年)在《梦溪笔谈》中记载了琴瑟上调弦时的共振实验:“欲知其应者,先调诸弦令和,乃剪纸人加弦上,鼓其应弦则纸人跃,他弦不动”。明皇子朱载堉在世界上首先提出了十二平均律。这些贡献都是很了不起的。但由于没有形成量化的精确表达方式,所以象振动周期、频率、音速等基本概念都不是首先在中国准确形成的。

  瀑流发出的声音有时也是悠扬悦耳的,是对健康有益的环境因素。所以瀑流的声响有时也被当作为旅游资源开发,如天津薊县的盘山以“水胜、石胜、松胜”闻名,其中水胜即由刻于清同治十一年(1872年)的景点“响涧”而来。这里瀑布奔泻和水击岩石的声响声势虽很大,但却叫人心旷神怡,从而使游人赞叹不已。

  另一方面,杂乱烦人的噪声使人烦躁不安,威胁着人们的身心健康。噪声是不同频率、不同强度、无规律而杂乱组合在一起的声音。噪声的波形是无规则、非周期的曲线。由构件碰撞或摩擦等所辐射的噪声称为机械噪声;由流体运动或物体相对于流体运动所辐射的噪声,称为气流噪声或水动力噪声。人若長时间留在噪声的环境中,大脑处于兴奋状态不能抑制,会使神经系统失去平衡,引起失眠、疲劳、头昏、思维能力和记忆力衰退等症状,甚是会损伤人的听力。我国规定城市区域环境噪声的标准为:白天45dB一70dB,夜间35dB一55dB(分贝是声功率的单位,以dB表示,0分贝为l皮瓦即10ˉ¹² 瓦)。现在许多地方的噪声已经超出此标准,被称为噪声污染,是一种公害。

  噪声在个别时候也可利用,如人们从自然噪声中可获取生活上必需的信息:风啸和雷声可预报风雨。人们也在制造噪声弹,其爆炸产生的噪声波可造成水中鱼儿短时间昏迷,以便人们捕捉。

  声纳技术是在水中以声音导航与测距的技术,它能辨认是什么船只发出的螺旋桨声音,以及声音的方向。而潜艇发出的噪声是潜艇的特征之一,所以各国海军均将其潜艇的噪声资料作为绝密资料保存起来。由附图可见船舶噪声的传播途径。

  气流噪声或水动力噪声是重要的噪声污染源。从喷气机和火箭,锅炉排气放空,汽车和其他热机的进、排气,气动工具,通风系统,到管道和阀门的排气漏气等都有噪声问题。有效地降低流体噪声是减少噪声污染的重要方面。科学工作者在分别研究各种流体噪声的规律和特征的基础上,设计有针对性的消声装置和降噪方法,以降低各种流体噪声。

  

  关键词: 流体运动 声音 噪声

  (本文原刊登于《科学》2005年57卷1期,作者授权天益发布)

进入 王振东 的专栏     进入专题: 科学精神  

本文责编:frank
发信站:爱思想(http://www.aisixiang.com),栏目:天益笔会 > 科学精神 > 科学评论
本文链接:http://www.aisixiang.com/data/11212.html

0 推荐

在方框中输入电子邮件地址,多个邮件之间用半角逗号(,)分隔。

爱思想(aisixiang.com)网站为公益纯学术网站,旨在推动学术繁荣、塑造社会精神。
凡本网首发及经作者授权但非首发的所有作品,版权归作者本人所有。网络转载请注明作者、出处并保持完整,纸媒转载请经本网或作者本人书面授权。
凡本网注明“来源:XXX(非爱思想网)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于分享信息、助推思想传播,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。若作者或版权人不愿被使用,请来函指出,本网即予改正。
Powered by aisixiang.com Copyright © 2021 by aisixiang.com All Rights Reserved 爱思想 京ICP备12007865号-1 京公网安备11010602120014号.
工业和信息化部备案管理系统