王振東：飛湍瀑流爭喧豗——漫話流體運動致聲和聲音的雙重作用
發(fā)布時間:2020-06-02 來源: 人生感悟 點擊： 
連峰去天不盈尺，枯松倒掛倚絕壁。
飛湍瀑流爭喧豗，砅崖轉(zhuǎn)石萬壑雷。
這是唐代詩人李白（701～762年）的名作《蜀道難》片斷�！妒竦离y》相傳是唐玄宗天寶初年，李白第一次到長安時，襲用樂府古題，用浪漫主義的激情，對秦蜀道路上奇麗驚險的山川所作的生動描繪。這段七言古詩片斷，被認(rèn)為是從山川之險揭示古時蜀道之難，描寫達(dá)到登峰造極地步的四句。詩人先托出山勢的高險，用“連峰去天不盈尺”夸飾山峰之高，“枯松倒掛倚絕壁”襯托絕壁之險。然后由靜而動，又用“飛湍（tuān）瀑（pù）流爭喧豗（huī,喧豗指轟響聲），砅（pēng,撞擊意）崖轉(zhuǎn)石萬壑雷”寫出飛流而下湍急的瀑布爭競作響，水石激蕩，山谷轟鳴的驚險場景。這好像是一連串的電影鏡頭：開始是山巒起伏、連峰接天的遠(yuǎn)景畫面；
接著是平緩地推出枯松倒掛絕壁的特寫；
而后是一組快鏡頭，飛湍、瀑流、懸崖、轉(zhuǎn)石，配合著萬壑雷鳴的音響飛快地從眼前閃過，驚險萬狀，目不暇接，從而造成一種勢若排山倒海的強(qiáng)烈藝術(shù)效果，使古蜀道之難的描寫達(dá)到了讓人驚心動魂、望而生畏的地步。詩人的這組快鏡頭正是用飛流驚湍、懸崖落瀑造成的萬壑雷鳴的流體運動致聲的景象，來達(dá)到浪漫主義的藝術(shù)描寫的。
實際上，不少古代詩人都有涉及流體運動致聲的詩句，如高適（約702～765年）《金城北樓》：
湍上急流聲若箭，城頭殘月勢如弓。
岑參（約715～770年）《走馬川行奉送封大夫出師西征》：
輪臺九月風(fēng)夜吼，一川碎石大如斗，隨風(fēng)滿地石亂走。
劉禹錫（772～842年）《浪淘沙：八月濤聲》：
八月濤聲吼地來，頭高數(shù)丈觸山回。
唐肅（1328～1371年）《峽口晚泊》：
漸聞湍響急，渡峽是歸州。
高啟（1136～1374年）《登金陵雨花臺望大江》：
石頭城下濤聲怒，武騎千群誰敢渡？
唐代詩人韋應(yīng)物（約735～約792年）與眾不同，擅于思理，寫有兩首涉及思考流體運動為什么會引起巨大聲響問題的五言古詩，其一是《聽嘉陵江水聲寄深上人》：
鑿崖泄奔湍，稱古神禹跡。夜喧山門店，獨宿不安席。
水性自云靜，石中本無聲。如何兩相激，雷轉(zhuǎn)空山驚。
貽之道門歸，了此物我情。
其二是《贈盧嵩》：
百川注東海，東流無虛盈。泥滓不能濁，澄波非益清。
恬然自安流，日照萬里晴。云物不隱象，三山共分明。
奈何疾風(fēng)怒，忽若砥柱傾。海水雖無心，洪濤亦相驚。
怒號在倏忽，誰識變化情？
韋應(yīng)物這兩首詩，不僅形象地描述了流體運動致聲的現(xiàn)象，而且還對流體運動為什么會致聲，深入思考并提出了疑問：“水性自云靜，石中本無聲。如何兩相激，雷轉(zhuǎn)空山驚�！薄昂Ｋm無心，洪濤亦相驚。怒號在倏（shū）忽，誰識變化情？”云靜的水和無聲的石為什么相拍激就會發(fā)出巨大的聲響？海水為什么會產(chǎn)生驚濤，為什么突然會發(fā)出怒吼的響聲？這使詩人在詩的結(jié)尾喊出了：“誰識變化情？”
韋應(yīng)物詩中提出了兩個疑問，一是疾風(fēng)何以引起海水的波濤？這是風(fēng)生波的流動不穩(wěn)定性問題，筆者將有另文專門討論，這里暫不多述。另一是水石相激為什么會發(fā)生聲響？波濤為什所會發(fā)出聲響？這同屬于流體運動為什么會發(fā)出聲響的問題。
聲音是由物體運動產(chǎn)生的
什么是聲音？現(xiàn)在我們用“聲音”一詞有兩重意思：客觀的聲波（或聲振動），和人主觀的聲感覺（即響聲）。聲波是任何彈性媒質(zhì)（氣體、液體、固體）中傳播的擾動（壓力、應(yīng)力、質(zhì)點速度、質(zhì)點位移等的變化，或其中幾種量的同時變化）。彈性媒質(zhì)的質(zhì)點發(fā)生振動，以波的形式向四面八方傳播開來，就在人的聽覺器官上引起了聲響的感覺。人可以聽到的聲波的頻率范圍為20Hz一20000Hz（每形振動一次為1赫，Hz是赫的符號）。20Hz以下的聲波稱為次聲，20000Hz以上的聲波稱為超聲。在不同的媒質(zhì)中，聲波的傳播速度不同，在20℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，聲波在空氣中的速度是344m/s，在水中的傳播速度是1450m/s，在鋼鐵中的傳播速度約為5000m/s 。
聲音是由物體運動產(chǎn)生的，然后通過幅射傳播傳到人耳引起聽覺。水、空氣、巖石都是彈性媒質(zhì)，它們之間相撞（包括水與水，氣與氣相撞）都會發(fā)生振動，并以波的形式向四面八方幅射傳播，凡在20Hz一20000Hz范圍內(nèi)的聲波，人都可以聽到。某些形式彈性媒質(zhì)相撞所幅射的總聲功率，己可以從實驗和理論計算得到。
聲波發(fā)出后，遇見物體時還會反射、折射和衍射。人們聽到的流體運動所產(chǎn)生的聲響，往往是多種聲波的組合。當(dāng)區(qū)域的邊界條件（如山谷等）使某幾種聲波互相激勵、發(fā)生共振時，就會產(chǎn)生轟鳴的感覺。李白《蜀道難》詩中所寫飛流驚湍、懸崖落瀑造成的萬壑雷鳴的音響，也正是多種聲波相互激勵、產(chǎn)生共振的結(jié)果。
我國古代不僅樂律、樂器等發(fā)展很早，對聲學(xué)的理解也是先人一籌。東漢王充（27一約97年）在《論衡》中已將聲與水波類比，對聲音的波動性質(zhì)有了正確的看法。北宋張載（1020～1077年）更明確地認(rèn)為“聲者形氣相軋而成”，這包括氣體相互作用的雷電、固體間撞擊、固體高速穿過氣體、高速氣體噴注及其與固體相遇時產(chǎn)生聲音的過程，幾乎與今日的理解相同。張載還認(rèn)為“聲成文謂之音”（音指好聽的聲，現(xiàn)稱為律音），“音和乃成樂”（音樂），“響之附聲如影之著形”（響是聲的作用，即人的聲覺），“群呼煩憂”為噪（即噪聲）。可見那時對聲學(xué)理解的表達(dá)用字己相當(dāng)講究。
聲音的雙重作用
聲音（包括流體運動所致聲）對人的影響作用是雙重性的。悠揚悅耳的樂曲能使人心曠神怡，消除疲勞。據(jù)考古發(fā)掘證實，我國約八千年前就已有笛，七千年前就有古老的吹奏樂器一塤，之后有鐘、磬、鼓、琴、簫等�！对娊�(jīng)》中提到的樂器，有29種之多。唐代的樂器空前發(fā)達(dá)，加上外域傳來的，據(jù)記載己有300種以上。北宋沈括（1031～1095年）在《夢溪筆談》中記載了琴瑟上調(diào)弦時的共振實驗：“欲知其應(yīng)者，先調(diào)諸弦令和，乃剪紙人加弦上，鼓其應(yīng)弦則紙人躍，他弦不動”。明皇子朱載堉在世界上首先提出了十二平均律。這些貢獻(xiàn)都是很了不起的。但由于沒有形成量化的精確表達(dá)方式，所以象振動周期、頻率、音速等基本概念都不是首先在中國準(zhǔn)確形成的。
瀑流發(fā)出的聲音有時也是悠揚悅耳的，是對健康有益的環(huán)境因素。所以瀑流的聲響有時也被當(dāng)作為旅游資源開發(fā)，如天津薊縣的盤山以“水勝、石勝、松勝”聞名，其中水勝即由刻于清同治十一年（1872年）的景點“響澗”而來。這里瀑布奔瀉和水擊巖石的聲響聲勢雖很大，但卻叫人心曠神怡，從而使游人贊嘆不已。
另一方面，雜亂煩人的噪聲使人煩躁不安，威脅著人們的身心健康。噪聲是不同頻率、不同強(qiáng)度、無規(guī)律而雜亂組合在一起的聲音。噪聲的波形是無規(guī)則、非周期的曲線。由構(gòu)件碰撞或摩擦等所輻射的噪聲稱為機(jī)械噪聲；
由流體運動或物體相對于流體運動所輻射的噪聲，稱為氣流噪聲或水動力噪聲。人若長時間留在噪聲的環(huán)境中，大腦處于興奮狀態(tài)不能抑制，會使神經(jīng)系統(tǒng)失去平衡，引起失眠、疲勞、頭昏、思維能力和記憶力衰退等癥狀，甚是會損傷人的聽力。我國規(guī)定城市區(qū)域環(huán)境噪聲的標(biāo)準(zhǔn)為：白天45dB一70dB，夜間35dB一55dB（分貝是聲功率的單位，以dB表示，0分貝為l皮瓦即10ˉ¹² 瓦）。現(xiàn)在許多地方的噪聲已經(jīng)超出此標(biāo)準(zhǔn)，被稱為噪聲污染，是一種公害。
噪聲在個別時候也可利用，如人們從自然噪聲中可獲取生活上必需的信息：風(fēng)嘯和雷聲可預(yù)報風(fēng)雨。人們也在制造噪聲彈，其爆炸產(chǎn)生的噪聲波可造成水中魚兒短時間昏迷，以便人們捕捉。
聲納技術(shù)是在水中以聲音導(dǎo)航與測距的技術(shù)，它能辨認(rèn)是什么船只發(fā)出的螺旋槳聲音，以及聲音的方向。而潛艇發(fā)出的噪聲是潛艇的特征之一，所以各國海軍均將其潛艇的噪聲資料作為絕密資料保存起來。由附圖可見船舶噪聲的傳播途徑。
氣流噪聲或水動力噪聲是重要的噪聲污染源。從噴氣機(jī)和火箭，鍋爐排氣放空，汽車和其他熱機(jī)的進(jìn)、排氣，氣動工具，通風(fēng)系統(tǒng)，到管道和閥門的排氣漏氣等都有噪聲問題。有效地降低流體噪聲是減少噪聲污染的重要方面。科學(xué)工作者在分別研究各種流體噪聲的規(guī)律和特征的基礎(chǔ)上，設(shè)計有針對性的消聲裝置和降噪方法，以降低各種流體噪聲。
關(guān)鍵詞：
流體運動 聲音 噪聲
�。ū疚脑怯凇犊茖W(xué)》2005年57卷1期，作者授權(quán)天益發(fā)布）
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