跟胖哥學物理 聲音的效應

同學們學了聲音的特性後知道了聲音有三個特性：音調、響度和音色。其實在這三個因素中對於運動物體，他們這些特性有一個特殊效應。

1842年奧地利一位名叫多普勒的數學家、物理學家。一天，他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發現火車從遠而近時汽笛聲變響，音調變尖，而火車從近而遠時汽笛聲變弱，音調變低。他對這個物理現象感到極大興趣，並進行了研究。發現這是由於振源與觀察者之間存在著相對運動，使觀察者聽到的聲音訊率不同於振源頻率的現象。這就是頻移現象。因為，聲源相對於觀測者在運動時，觀測者所聽到的聲音會發生變化。當聲源離觀測者而去時，聲波的波長增加，音調變得低沉，當聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調就變高。音調的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關。這一比值越大，改變就越顯著，後人把它稱為“多普勒效應”。

聲是以波的形式傳播，就像光能是以光子形式存在的一種能量一樣。 聲能與其它能量相同，是人類可以利用的能量。聲波在媒介中傳播時，媒介在聲能的作用下會產生一系列效應，如力學效應、熱學效應、化學效應和生物學效應等。

1、聲音的生物效應

生物對頻率是非常敏感的，對於某些聲音，生物表現不同情感，我們可以把這個成為聲音的生物效應。

其實，人類對聲音的效應研究經歷很長時間。在公元前三千年的埃及古墓中，曾發現有獵人模仿鵜鵠的叫聲引誘飛鳥行獵的圖案。在公元前六百年中國春秋時代的《詩經》中就有“雉之朝雒，尚求其雌”詩句，是說雄性野雞清晨鳴叫是在尋求配偶。在我們的現實生活中，聲音的生物效應經常用來幫助我們認識各種生物，也給各自生物帶來危險，譬如人們利用聲音來捕魚、捉鳥、捕蛇等，都是利用這些動物對某種人物有特殊靈敏性，使它們走向人類陷阱。但是，聲音的生物效應也可以用了為人類服務，不如某些花草對某種聲音有天然喜好，可以播放這種聲音，會讓這些鮮花更漂亮。同時，某些植物對聲音有特殊煩操，也可以播放這些聲音，影響它們的生長，譬如噪聲滅雜草。

音聲在物理世界中的作用，到目前為止，除了自然科學已經瞭解聲學的原理和應用以外，至於宇宙間的生命與音聲的關係，以及植物和礦物等有無音波輻射和反應等問題，都還是尚未發掘的領域。音聲對於人類和其他動物的作用，早已被世人所知。但人類對於音聲的學識，耳熟能詳的，還只知其能溝通人與人之間，人與動物之間的思想、情感等。至於利用音聲促使人與動物等的生命，得以啟發生機，或者感受死亡的秘密等，在目前的科學知識範圍裡，還是一片空白，尚須有待新的研究和努力。

有一個國學大師南懷瑾先生研究過佛教中一門轉型方法，密宗。密宗所標榜的“口密”，就是修習密宗的人口裡所念誦密咒的奧秘，有時又稱為“真言”，這具有信仰的作用。從尊敬修法的觀念而來，認為世界的文字言語，都是虛妄不實、變動不拘的假法，只有佛菩薩等神秘的咒語，才是真實不虛，通於人天之間極為奧密的至言。是否果真如此，那是一個非常複雜的問題，留待將來神秘科學去研究探討。現在要講的，便是音聲對有關人體妙密的問題。

2、聲音的機械效應。

其實，聲音共振現象就是聲音機械效應一種。我們以超聲波為例，看看聲音的機械效應在我們生活中的應用。

超聲波在介質中前進時所產生的效應。(超聲波在介質中傳播是由反射而產生的機械效應)它可引起機體若干反應。超聲波振動可引起組織細胞內物質運動,由於超聲的細微按摩,使細胞漿流動、細胞震盪、旋轉、摩擦、從而產生細胞按摩的作用,也稱為“內按摩”這是超聲波治療所獨有的特性,可以改變細胞膜的通透性,刺激細胞半透膜的彌散過程,促進新陳代謝、加速血液和淋巴迴圈、改善細胞缺血缺氧狀態,改善組織營養、改變蛋白合成率、提高再生機能等。使細胞內部結構發生變化,導致細胞的功能變化,使堅硬的結締組織延伸,鬆軟。超聲波機械作用可軟化組織,增強滲透,提高代謝,促進血液迴圈,刺激神經系統和細胞功能,因此具有超聲波獨特的治療意義。

其實，聲音機械效應與我們生活息息相關。人們已經有了超聲波清洗器,鐘錶,精密儀器免除了逐一拆裝螺絲,齒輪,遊絲發條,錶鏈等的麻煩,只須把外殼卸下,整個放進裝有相應清洗劑(如汽油)的清洗槽內,便可以取得事半功倍的清洗效果。銀行,辦公室,財務,工藝美術,廣告行業,辦公用品:如印表機,噴頭,針筆,鋼筆,畫筆,噴咀,噴霧器經常堵塞,印章也常常因印泥的沾附而模糊不清,常用超聲波清洗器可保流暢清晰。如結合適量洗潔精或其他清洗劑會有更好效果。還有:手機,對講機,隨身聽等電器的精密線路板,零配件利用科達超聲波清洗器結合無水酒精清洗,可得到極佳的無塵無汙染完全徹底的清洗效果。

3、聲音的熱效應。

熱效應是指固體介質與振盪流體之間產生的時均能量效應，產生沿著(或逆著)聲傳播方向的時均熱流和時均功流。按能量轉換方向的不同，熱聲效應分為兩類：一是用熱能來產生聲能，包括各類熱聲發動機；二是用聲能來輸運熱能， 包括各種回熱式製冷機。可產生熱聲效應的流體介質必須有可壓縮性、較大的熱膨脹係數、小的普朗特數，而且對於要求較大溫差，較小能量流密度的場合，流體比熱要小，對於要求較小溫差，較大能量流密度的場合，流體比熱要大。

人體組織對超聲能量有比較大的吸收本領,因此當超聲波在人體組織中傳播過程中,其能量不斷地被組織吸收而變成熱量,其結果是組織的自身溫度升高。產熱過程既是機械能在介質中轉變成熱能的能量轉換過程。即內生熱。超聲溫熱效應可增加血液迴圈,加速代謝,改善區域性組織營養,增強酶活力。一般情況下,超聲波的熱作用以骨和結締組織為顯著,脂肪與血液為最少。

4、聲音的電效應（聲電效應）

當聲波(縱波)在半導體中傳播時，將產生額外的週期性勢場波（波的週期與聲波相同）：在原子半導體中，聲波將產生畸變勢週期性勢場（波幅較小）；在壓電半導體中，聲波將產生壓電週期性電勢場（波幅很大）。如果這時有電子透過，當電子的平均自由程比聲波的波長要小時，則電子將不斷遭受聲子的散射而損失能量，從而電子被聲波產生的週期性電勢場的波谷所俘獲；同時在聲波傳播時，電子即被聲波勢場牽引著向前運動，結果就產生了電動勢，這就是聲波致電的效應——聲電效應

5、聲音的理化效應。

超聲的機械效應和溫熱效應均可促發若干物理化學變化。實踐證明一些理化效應往往是上述效應的繼發效應。理化效應繼發出下列五大作用:

彌散作用:超聲波可以提高生物膜的通透性,超聲波作用後,細胞膜對鉀,鈣離子的通透性發生較強的改變。從而增強生物膜彌散過程,促進物質交換,加速代謝,改善組織營養。

.觸變作用:超聲作用下,可使凝膠轉化為溶膠狀態。對肌肉,肌腱的軟化作用,以及對一些與組織缺水有關的病理改變。如類風溼性關節炎病變和關節、肌腱、韌帶的退行性病變的治療。

空化作用:空化形成,或保持穩定的單向振動,或繼發膨脹以致崩潰,細胞功能改變,細胞內鈣水平增高。成纖維細胞受啟用,蛋白合成增加,血管通透性增加,血管形成加速,膠原張力增加。

聚合作用與解聚作用:水分子聚合是將多個相同或相似的分子合成一個較大的分子過程。大分子解聚,是將大分子的化學物變成小分子的過程。可使關節內增加水解酶和原酶活性增加。

總之，我們掌握這些效應，對我們認識聲現象的本質大有益處，而且幫助物理學對其他學科指導作用。比如生物聲學和醫學聲學都是目前熱門交叉科學，大家知道物理作為基礎學科的重要性了!

2018年9月28日於宜昌市夷陵區吾同齋

聲音是一種波，因此遇到障礙的時候也可以被反射。人類利用聲波的這種特性發明瞭聲吶，在導航和軍事等領域都是一項重要的技術突破。

聲吶，是英文縮寫SONAR的音譯，其英文全稱為“Sound Navigation And Ranging”（聲音導航與測距），分為主動和被動兩大類。顧名思義，主動式聲吶就是主動發出聲波，透過反射的聲波的狀態來判斷路徑上的物體的位置等資訊，而被動式則是本身不發出聲音，透過蒐集水中各種聲音來獲取資訊。最早的聲吶在1906年由英國海軍所發明，是一種被動式的聆聽裝置，主要用來偵測冰山，也叫做“水聽器”，並且在第一次世界大戰中被應用於海戰中，用來偵測潛艇。後來在1910年代，經過法國、俄國、加拿大等國家的科學家的改進，出現了實用的主動式聲吶。

當然，聲吶也是仿生學的一個常見案例：人類透過觀察研究蝙蝠的飛行，發現了它自帶的超聲定位系統，為人類使用聲波定位（包括超聲波和次聲波）提供了很好的借鑑。