漫步海边，捡一只被海浪带到沙滩上的海螺，放在耳边就能听到大海的声音。如果有人送你一只号角似的海螺，就仿佛送给你一片碧蓝的大海，可以随时随地听海风阵阵、海潮澎湃，随时随地都可以哼着“你喜欢海风咸咸的气息，踩着湿湿的沙砾”，去“面朝大海，春暖花开”，想想都是一件超级浪漫的事儿！那么，海螺是大海的留声机吗？通过海螺随时随地听到的真的是大海的声音吗？
图片来源：中科院声学所
我们把手指并拢，弯曲成半密闭的凹形，或者换一个杯子、小碗等容器，贴近耳朵，静心聆听，也能听到“大海”的声音。这些容器并非来自大海，里边传出来的难道会是大海的声音？当然不是。那么，海螺里听到的声音自然也不是大海的声音了。有人说，海螺里听到的声音是血液流动的声音，因为当海螺贴在耳朵上时，会将血液流动的声音放大。
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不妨让我们再来做个小小的实验。在同一声场环境下，让同一个人在正常状态下和剧烈运动之后听海螺，比较听到的这两个声音，并没有明显差异，声音没有因为剧烈运动而变得更尖锐或更响亮，这表明海螺里的声音不是人体血液流动的声音。那么海螺以及类似的小容器里听到的声音，到底来自哪里？我们同样可以做一个小实验来进行验证。找到大小不同的几个杯子，分别慢慢靠近耳朵，在杯子口将贴未贴到耳朵的某一位置时，我们能听到类似“大海”的声音。用不同大小的杯子，听到的声音略有不同。杯子越大，声音越低沉；杯子越小，声音越清亮。我们听到的声音是杯子对环境噪声的过滤，此时杯子可以看作一个声音的过滤器，专业上称为滤波器。综上，海螺里的声音不是大海的声音，而是海螺过滤的所在声场环境的噪声。如果是在海边听海螺里的声音，你听到的主要是过滤之后大海的声音。如果是在大海之外的其他声场环境下，海螺里听到的就不是大海的声音。海螺里的大海声，并非来源于它的原生态记忆，而是对当下声环境的现场直播。海螺的直播，依靠了物理学上一个常见的现象——共振。共振指两个振动频率相同的物体，当一个物体发生振动时，引起另一个物体振动。在声学领域，共振被称为“共鸣”，指物体因共振而发声的现象。海螺、小碗、杯子等是容易引起共振的物理系统，当声音频率和腔体本征频率一致，就会产生共鸣，使声音放大，这时将其放到耳边就能听到“大海”的声音。
当演员的声音频率与玻璃杯的本征频率相同时，玻璃杯就会因共振而破碎。动图来源：《加油向未来》
德国物理学家、生物学家（Hermann von Helmholtz）1850年设计命名的亥姆霍兹共鸣器，其原理类似于通过海螺来听“大海”的声音。亥姆霍兹共鸣器的设计理念是通过共振原理分辨噪声或音乐中不同频率或音调的声音。亥姆霍兹共鸣器的原始形状就是一个有细颈或小口的容器，环境中的声音引起空气扰动，因空气弹性形变导致压力变化，推动容器细颈或小口处的空气柱往复运动，这个不断振荡的过程就会发出声音。海螺和亥姆霍兹共鸣器都属于口小腔大的结构，其发声原理也相同。某种意义上，海螺算得上是一个自然界的“直播达人”，不仅对环境噪声进行了过滤，也起到了扩音的效果。早在战国初期，《墨子·备穴》就记载了用于军事防御的共鸣器：在城墙根下每隔一段距离挖一口深井，埋入一个肚大口小的坛子，坛口用薄皮革蒙紧，然后放入井内，派听觉灵敏的人趴在坛口上听声音，来判断敌方挖隧道的方位，然后进行反击。这种适合守城的装置被称为“瓮听”，也叫“地听”。关于“设瓮助声”，山西省汾阳市石塔村龙天庙的古戏台是很好的例证，其两侧山墙对称嵌入大中小三种陶瓮，共计14个，陶瓮口口相对，以起到扩音的效果。
山西汾阳石塔村龙天庙古戏台山墙上嵌设的14个陶瓮。图片来源：文献3
古代行军作战时，为方便携带，“地听”的设计趋向于轻巧且实用。唐代李筌在《太白阴经·游奕地听篇》中记录了一种叫做“空胡簏”的空心枕，他写道：“选少睡者，令枕空胡簏卧。有人马行三十里外，东西南北皆有响见于胡簏中，名曰‘地听’。”北宋沈括《梦溪笔谈·器用》中描述了这种警枕的制作材料和大体形态：“古法以牛革为矢服，卧则以为枕。取其中虚，附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之。盖虚能纳声也。”这种“地听”是用牛皮制作的箭筒，行军休息时置于地上枕之，因其中空，故能“纳声”。试想，古代的将士们在扎营休息时通过这些神奇的小玩意儿，在几十里外就能听到敌方行军的动静，从而做出相应的对策，古人可真聪明啊！古代声学知识应用的巧思令人敬佩，科学的种子早在古代就播撒在了人们的心里，科学之花在古旧的历史书上绽放华彩。到了现代，共振现象被广泛应用于社会生活的方方面面，如医用听诊器，钢琴、小提琴、吉他等乐器的共鸣箱，微波炉，建筑用振荡器等。将一只海螺放在耳边，我们听到的是环境中的噪声，而海螺是环境噪声的过滤器与放大器。所以，我们从海螺里听到的，不只是大海的声音，而是大自然的声音！
[1] 马大猷.亥姆霍兹共鸣器的发展[J].物理,1993(08):452-456.
[2] 杨阳,高策. “设瓮助声”之争——科学史上的一桩公案[N]. 光明日报,2016-04-06(T14)
[3] 杨阳,高策,丁宏.山西石塔村龙天庙古戏台设置陶瓮的声学技术[J].自然科学史研究,2014,33(01):70-82.
出品｜科普中国
作者｜王丽娜 杨馥锦（中国科学院声学研究所 水下环境信息感知实验室）
监制｜中国科普博览
