科学网—唱歌能把玻璃杯震碎吗？
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2024-12-7 16:14
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唱歌能把玻璃杯震碎吗？
武际可
最近在网络上几次看到 “歌唱震碎玻璃杯”的报道。歌声真的能够震碎玻璃杯吗？ 最早实际做这个实验的是美国的科普娱乐视频系列节目 《流言终结者》（英语： MythBusters ） 的主持人。他们也是听传闻有 此 一说，为了证实它的真伪，实地做了实验。 2005年 在该节目的 S03E13 第31集 中，主持人邀请 美国 摇滚歌手兼歌唱教练杰米 ·温德拉 ，以异于常人的声音现场击碎了玻璃杯 。
为了理解其中的道理我们先来介绍几个有关物体振动、声音传播方面的知识。
任何有弹性的物体，在受到外部冲击后会产生振动，也就是一种反复变形与回复的运动。单位时间反复的次数称为频率（单位为赫兹）。任何确定的物体在振动时都有一个固定的振动频率，称为固有频率。例如敲击钟、锣、玻璃杯。它们发出的声音频率都是固定的。
人的声带也是一种物体，我们呼气使它产生的振动就是我们发出的声音。不过声带有点特别，它受我们的神经控制，可以随意调整它的松紧程度，所以我们发出的声音频率是可以随意变化的。于是我们用同一的声带即可以发出高低不同的声音，就能唱出动听的歌声。
一个声音有两个本质的特征：大小和高低。大小是取决于它单位时间传出能量的多少，一般用耳朵能够听到的最低声音的倍数的对数来度量，它的单位称为分贝。高低是由振动的频率决定的。声音的大小和高低，是两个不同的独立的概念。同是大声音，有低频大声，也有高频大声。同样，小声也有低频与高频之分。
一个物体振动，会扰动它周围的空气或水等介质，这些介质也是有弹性的，就会以波动的形式把振动传播出去。这传播出去的振动，在达到另外一个物体时，就会对这个物体扰动，产生振动，如果这个物体的固有频率与传来的振动频率相同，它也会与原来的物体一样频率振动起来。通常把这个现象称为共振。
现在可以回过头来谈玻璃杯的问题了。
杰米 ·温德拉 拿到玻璃杯后，先对玻璃杯轻轻地敲一敲，听到玻璃杯的响声后，就知道玻璃杯的振动频率了，由于是职业的歌唱家，他对玻璃杯的振动频率能够记住并且能够准确地模仿发声，所以紧跟着，尽力用玻璃杯的频率发出大声，并且使声音持续一段，果然，不一会，玻璃杯被震碎了。
杰米 ·温德拉 发声震碎玻璃杯
在这里，发出的声音和玻璃杯的固有频率一致，是问题的关键。只有一致了，玻璃杯的振动才会不断增大直至破碎。如果不一致，即使声音吼得再大，也不会使玻璃杯破碎。所以对音乐外行人，虽然对着玻璃杯大吼大叫并不能使玻璃杯震碎。就是他不会捕捉玻璃杯的频率并且发出与它一致频率的大声音。进而，一般地唱歌也不能震碎玻璃杯，因为一般地唱歌频率在不断变化中，不能使频率保持在玻璃杯的一致水平，并且持续一段时间。所以对于玻璃杯被震碎的准确说法应当是 “声音震碎玻璃杯”而不能一般地说是“歌声震碎玻璃杯”。
需要附带说明的是，声音能够震碎玻璃杯，并不是说它能够震碎无论什么样的玻璃杯。震碎的只是那些强度比较差的玻璃杯，或者已经有缺陷或微裂纹的玻璃杯。所以你看到表演者一个一个杯去试，有的纹丝不动，有的被震碎。说明被震碎的，一定是那批玻璃杯中的弱者。
声音震碎玻璃杯，从原理上说，不外是由共振引起的。其实人们关注共振是历史悠久的事情。就我国文献记载几例：
南宋刘敬叔（约 390-470）所写《异苑》记载有“晋中朝有人蓄铜澡盘，晨夕恒鸣如人叩，乃问张华。华曰：‘此盘与洛钟宫商相应，宫中朝暮撞钟，故声相应耳。可错令轻，则韵乖，鸣自止也。 ’ 如其言，后不复鸣。 ”
唐代韦绚（ 9世纪人）撰《刘宾客嘉话录》，其中记述如下故事：“洛阳有僧，房中磬子日夜辙自鸣。僧以为怪，惧而成疾。求术士百方禁之，终不能已。曹绍夔素与僧善，夔来问候，僧具以告。俄击斋钟，磬复作声。绍夔笑曰:‘明日设盛馔，余当为除之。’僧虽不信，冀或有效，乃力置馔以待。绍夔食讫，出怀中错，鑢磬数处而去，其声随绝。僧问其所以，绍夔曰：‘此磬与钟律合，故击彼此应。’僧大喜，其病便愈。”
这两段故事都发生在千年以前。当时就知道物体的固有频率与物体的质量分布有关，都用错错去部分质量，物体的固有频率改变了便不会与钟声共鸣了。当时虽然还没有频率的概念，但从实践中知道了，韵乖鸣自止的道理。
上面几例和声音震碎玻璃杯，都是声音引起共振所产生的现象。声音的频率比较高，通常比较低的物体振动也会产生共振现象。
桥梁的振动频率就比较低，历史上有因为军队以整齐的步伐过桥引起桥垮塌的记录。所以很久以来部队都有一个规矩，在过桥时要求便步走，不能正步行进。以免在桥的固有频率与人的步伐相合时产生共振。
上图为伦敦阿尔伯特吊桥建于 1873 年，下图为桥端要求过桥部队便步走的布告。
早在 17 世纪，摆钟的发明者惠更斯（ Christiaan Huygens ， 1629 － 1695 ）就发现，两等长摆的摆钟，挂在一面墙上，两个摆锤的位相开始并不相同，但过了一些时候，两个摆锤的位相都会逐渐变为同步摆动。后来发现，置于一张桌子上的若干个节拍器，定在大致同一频率的摆动上，无论开始它们的位相如何不同，最后摆动都会同步起来。这其中的道理和共振是相同的，摆动是通过墙面或桌面传递波动，和另外的摆相互作用，逐渐达到同步的。
最近，看到一则报道，说是 台湾乐团五月天近日在上海体育馆举行演唱会，竟引发场馆周围逾 10 幢大厦剧烈摇晃，附近居民直言家中似「地震」。当歌曲 BPM （每分钟节拍数）在 140 拍左右时，相关音波更容易与生活建筑形成低频共振。有居住在体育馆附近的居民表示，当《伤心的人别听慢歌》副歌响起时，家里的铝合金窗发生了强烈抖动并发出金属碰撞声，水杯内的水高速摇摆，体感上如同房屋就好像「地震」般左右摇晃。 这实际上就是一种低频的共振现象。唱歌发声的轻重是随节拍变化的，犹如行进时的步伐，有强有弱，在 140 拍时，正好与附近建筑物的固有频率相合，所以引起振动让人感觉不适。
我们上面谈到的共振，都是引起不良效果的现象。其实人们利用共振造出了许多有利的发明。我们的许多乐器的发声，都是利用了共振。二胡是利用琴弦和琴筒的共振，提琴是利用琴弦和音箱的共振，才能使发声优美和响亮。舞台表演是歌唱者的声音与麦克风的拾音器发生共振，才能使演唱者的声音放大到使大厅的每个角落的听众都能够听到。
我们知道，电磁波是周期变化的 ， 只是它们的变化不是像普通的振动是位移的改变，而是电场和磁场强度的周期变化， 所以人们发明了电磁波的接受器和放大器，这些接受器和放大器都可以看作精细设计的 “ 共振 ” 装置。我们每天看电视、听广播、打电话、发电报，每一个环节都在和这种 “电磁 震荡 ”在打交道。
光线是一种特殊的电磁波，原子内的电子做跃迁时也要以一定频率放出能量，要检测或放大它们，就要精细地设计能和这些频率可以“共振”的特殊装置。正是在这种思考的指引下，人们造出了照射强度为地球上太阳光亮度 10的10次方 倍、其粗细仅 1 微米直径的激光，最近人们造出了一亿年误差不超过 1 秒的原子钟，等等。由于这些新的利用“共振”原理是非常精细和奇特，所以在 20 世纪中，有不少的基于“共振”原理的发现和发明获得了诺贝尔奖。
你真正理解了共振，也许你就会理解整个基于物理原理的各种近代发明。
参考文献
1. 武际可，从荡秋千说开去 ----漫话共振，力学与实践，2003年，第2期。
2. 于一真，王新刚 , 惠更斯钟摆同步之谜 , 中国物理学会期刊网 2020年02月26日 .
2024 ， 12 ， 7
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