正文 聚焦現象與衍射現象(1 / 2)

在意大利西西裏島上,有一個著名的采石窟,窟內呈圓拱狀,像一隻斜放的雞蛋殼。出入口開在離窟底40米的高處,通過一段不長的通道,人們可以進入窟內。有意思的是,當人們站在通道上某個位置的時候,可以清晰地聽到來自窟底微弱的聲音,甚至撕裂一片布帛,聽起來也十分響亮。據說古代敘拉古的暴君帶奧尼歇斯,就曾把反對他的政治犯囚禁在這個石窟的窟底,並派人潛伏在通道的某個地方,竊聽犯人們私下的談話,因此後人就把這個石窟起名為“帶奧尼歇斯的耳朵”。

那麼,“帶奧尼歇斯的耳朵”的奧秘在哪裏呢?我們說過,聲音在傳播的過程中,如果碰到障礙物它就會發生反射。在石窟內,因周圍都是堅硬的石壁,因此物體發出的聲音會從四麵八方反射回來。由於石窟表麵的特殊形狀,這些來自四麵八方的聲音都集中在了某一小區域內,這樣,在這位置或區域內的聲音就變得特別響亮,這種現象叫做聲音的聚焦。

為了進一步了解聲音的聚焦,我們自己不妨做這樣一個實驗:打開一把雨傘,把表懸掛在傘內靠近傘頂的柄上,然後將傘架在肩上。這時表雖然離開耳朵較遠,但表的走動聲仍清晰可聞。我們聽到的表聲,就是通過傘麵聚焦後傳進耳朵中去的。

其實,聲音的聚焦現象在生活中處處可見。我們在拱形隧道或石橋的橋洞下講話時,感到聲音格外洪亮,就是聲音聚焦的結果。不少動物在野外或夜晚,常常把耳朵豎起來,並不停地轉動,就是利用它們耳郭對聲音的聚焦作用來捕捉周圍微弱的聲音信息。人在聽不清遠處傳來聲音的時候,有意無意地把雙手拱在耳後,也是為了增強耳郭對聲音的聚焦效果。

人類很早就觀察到了聲音的聚焦現象,並巧妙地把它應用在實際中。據說古時候一隊人馬兵敗後,被敵軍逼進了一座高山的隘口之中,眼看就要全軍覆沒,情勢非常緊急。就在這時,他們發現部隊所在山口的背後是一個喇叭筒狀的山穀。於是他們經過密謀,決定趁夜晚天黑時,一麵在山穀中燃火鳴炮,一麵齊聲呐喊向外突圍。結果,由於山穀對聲音的聚焦造成的“虛張聲勢”無異於千軍萬馬,敵軍以為對方大隊援軍到來,因此匆匆撤軍後退。就這樣,這隊人馬絕處逢生,安然脫離虎口了。

據《史記·項羽本紀》記載,漢五年(前202)十二月,西楚霸王項羽被漢王劉邦打敗之後,被困在垓下(今安徽靈璧縣東南)城內。夜晚,忽然從城外傳來眾人齊唱的楚地民歌。項羽聞之大驚,以為漢軍全部占領了楚國,自己已經四麵受敵,走投無路,於是率兵突圍,最後自刎於烏江。這就是曆史上有名的“四麵楚歌”的故事。

上麵的故事大家是熟悉的,可是你有沒有想到過這樣一個問題:高大堅實的垓下城牆,能夠阻擋住漢軍的千軍萬馬,為什麼它卻不能擋住城外的歌聲呢?這歌聲又是怎樣傳到城內讓城下人們聽到的呢?

問題的答案是顯而易見的:城外的歌聲是絕不會從城牆中穿透過去,它隻能是從城牆上方繞過城頭傳播過去的。聲波這種繞過障礙物傳播的特性,叫做聲的衍射。

聲波發生衍射是有條件的。為了說明這一點,我們先來看一個水波的例子:把一個石子投入湖中,水麵上便會蕩起環環碧波。水波在傳播過程中,如果遇到一根漂浮的長木條,水波便會被阻擋住,而在木條後麵形成一塊沒有水波到達的“陰影區”。可是當水波遇到一根細木樁時,它卻能繞過木樁,到達它後麵的任何地點,“陰影”消失。可見,水波的衍射是和障礙物的大小有關的。