當(dāng)合唱團(tuán)長(zhǎng)走進(jìn)房間時(shí)，合唱團(tuán)鴉雀無(wú)聲。"好了，開(kāi)始調(diào)音吧！" 她向集合起來(lái)的歌手們宣布。她從口袋里拿出一個(gè)兩頭尖的金屬工具，用它敲擊自己的膝蓋。一陣刺耳的嗚嗚聲后，它開(kāi)始發(fā)出神秘而天使般的嗡嗡聲。將工具的底座靠在木桌上，嗡嗡聲變得更加響亮。歌手們仔細(xì)聆聽(tīng)這個(gè)發(fā)出聲響的小金屬片，并據(jù)此調(diào)整自己的聲音。
鋼琴會(huì)失去音準(zhǔn)，吉他也會(huì)走音，甚至教堂風(fēng)琴也需要時(shí)不時(shí)地調(diào)音。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，辨別一個(gè)樂(lè)器音準(zhǔn)不準(zhǔn)的唯一可靠方法就是使用音叉：音叉是一種帶兩個(gè)叉的全金屬裝置，長(zhǎng)度與黃油刀相當(dāng)。音叉制作簡(jiǎn)單，使用方便，能保證百分之百的音準(zhǔn)。如今，在古董店里，你可以找到有 300 年歷史的音叉，它們發(fā)出的音符與它們剛被生產(chǎn)時(shí)一樣清晰、清脆。
1711 年，為英國(guó)王室工作的小號(hào)演奏家約翰?肖爾 (John Shore) 首先發(fā)明了這種裝置。在音樂(lè)會(huì)上，肖爾戲稱自己的發(fā)明為 "音調(diào)叉"。肖爾的發(fā)明很快成為全世界音樂(lè)家的必備工具。在肖像畫中，合唱團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)們揮舞著音叉擺出各種姿勢(shì)。年輕的音樂(lè)家在成功通過(guò)音樂(lè)學(xué)院考試后，會(huì)得到鍍金的音叉。如今，市值 35 億美元的雅馬哈公司的標(biāo)志就是三把音叉。音叉甚至出現(xiàn)在電話發(fā)明家亞歷山大?格雷厄姆?貝爾 (Alexander Graham Bell) 最早的一些實(shí)驗(yàn)中。1876 年，貝爾首次使用電池、通電音叉和一杯酸性溶液通過(guò)電線傳輸聲音。
音叉的 "演奏" 相對(duì)簡(jiǎn)單：注意不要握音叉的分叉部位，用音叉拍打桌面等硬物，甚至是鞋底，然后聽(tīng)它響 5 秒鐘左右。用力拍或輕輕拍，音調(diào)總是一樣的。這看上去就像魔法一樣。
下面我們來(lái)介紹這一塊金屬是如何創(chuàng)造音樂(lè)的。
音叉是怎么發(fā)聲的
你每一次敲擊音叉的時(shí)候，你都發(fā)動(dòng)了一次微小而無(wú)形的颶風(fēng)。音叉的兩根叉齒以極快的速度來(lái)回?cái)[動(dòng)，與附近的空氣分子撞擊，形成一系列的沖擊波，在空氣中傳播。當(dāng)這些劇烈的微小碰撞撞擊到你的鼓膜時(shí)，你的大腦會(huì)將其處理為輕微的嗡嗡聲。
敲擊音叉時(shí)，其叉齒前后振蕩頻率達(dá)到每秒上百次。通常情況下，這種振蕩非?？?，以至于肉眼根本看不出來(lái)。如果你想要證明它確實(shí)在振蕩，只需要將正在發(fā)出嗡嗡聲的音叉浸入一杯水中，它就會(huì)噴出水柱，其劇烈程度一定會(huì)令你大吃一驚。在科學(xué)的語(yǔ)境下，音叉振動(dòng)的“速度”用物理量頻率來(lái)描述，它的單位是赫茲 (Hz)，或者振動(dòng)次數(shù)每秒。
振動(dòng)的音叉與周圍空氣的相互作用，使得聲音可以產(chǎn)生。當(dāng)音叉的叉齒相互遠(yuǎn)離時(shí)，會(huì)將周圍的空氣分子推到一起，形成小的高壓區(qū)，稱為壓縮區(qū)。當(dāng)音叉叉齒相互靠攏時(shí)，會(huì)吸著周圍的空氣分子使它們彼此遠(yuǎn)離，形成小的低壓區(qū)，稱為稀疏區(qū)。結(jié)果，一系列稀疏區(qū)和壓縮區(qū)穩(wěn)定地出現(xiàn)，形成聲波。
音叉振動(dòng)得越快，它所演奏出的音符就越高。例如，對(duì)于一個(gè)可以演奏鋼琴的最高音符的音叉，它需要按照 4000Hz 的頻率振動(dòng)。另一方面，為了產(chǎn)生鋼琴的最低音符，它只需要按 28Hz 的頻率振動(dòng)。
但如何調(diào)節(jié)音叉的振動(dòng)速度呢？首先，可以調(diào)整音叉的長(zhǎng)度。叉齒越小，振動(dòng)時(shí)叉齒需要移動(dòng)的距離就越短，振動(dòng)的速度就越快。這和吉他弦的原理是一樣的。張緊的琴弦沒(méi)有太多的振動(dòng)空間，因此振動(dòng)更快。而松弛的琴弦來(lái)回振動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng)，因此音調(diào)較低。順便提一下，世界上最大的音叉是位于加州伯克利的一座 45 英尺 (13.7 米) 高的雕塑。如果有人找到一個(gè)足夠大的錘子來(lái)敲擊它，聲音頻率很可能會(huì)太低，人耳很難聽(tīng)到。
你還可以通過(guò)使用不同的材料來(lái)改變音叉的音高。銅和鋼等密度大的金屬振動(dòng)時(shí)音調(diào)高而清脆。黃銅等軟金屬則音調(diào)低沉。而像錫、金和鉛這類非常軟的金屬則不會(huì)發(fā)出任何聲音。不過(guò)，出于成本考慮，大多數(shù)現(xiàn)代音叉都由不銹鋼制成。
接下來(lái)你會(huì)發(fā)現(xiàn)音叉還可以讓你的牙齒爆炸。
有害的振動(dòng)
2008 年，在加拿大西部的一場(chǎng)搖滾音樂(lè)會(huì)中，數(shù)十名舞者因教堂地板倒塌而受傷。據(jù)調(diào)查人員稱，舞者的同步動(dòng)作 "像音叉一樣" 產(chǎn)生了特定頻率的振動(dòng)，將地板震得四分五裂
如何使用音叉調(diào)音
聽(tīng)過(guò)走音的鋼琴的演奏嗎？鋼琴的琴弦走音，導(dǎo)致各琴鍵的頻率之間不再滿足正確的關(guān)系。通常，鋼琴上的琴鍵代表音階中的不同音符。但如果沒(méi)有正確的調(diào)音，它們就只是隨機(jī)頻率的音符排在一起。如果把它們放在一起演奏，聽(tīng)起來(lái)就會(huì)雜亂無(wú)章。樂(lè)隊(duì)、合唱團(tuán)或管弦樂(lè)隊(duì)也是如此。如果沒(méi)有將樂(lè)器或聲音調(diào)整到同一音調(diào)，它們聽(tīng)起來(lái)就會(huì)像失調(diào)的鋼琴一樣。音叉的作用就是建立一個(gè)大家都遵循的統(tǒng)一音調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。
大多數(shù)音叉的振動(dòng)頻率為 440 赫茲，音樂(lè)家稱之為 "音樂(lè)會(huì) A 調(diào)"。要給鋼琴調(diào)音，首先要彈奏鋼琴的 "A" 鍵，同時(shí)敲擊 "A" 音叉。如果鋼琴走音，你會(huì)聽(tīng)到鋼琴?gòu)椬嗟囊舴鸵舨鎻椬嗟囊舴g有明顯的顫音；顫音相隔越遠(yuǎn)，鋼琴走音越嚴(yán)重。通過(guò)擰緊或松開(kāi)鋼琴的琴弦，可以減少顫音，直到鋼琴的音與音叉一致。一旦 "A" 鍵調(diào)準(zhǔn)，就可以調(diào)整鋼琴的其他 87 個(gè)鍵。大多數(shù)其他樂(lè)器的調(diào)音方法大致相同。無(wú)論是為單簧管還是吉他調(diào)音，只需調(diào)準(zhǔn)音樂(lè)會(huì) A 調(diào)，然后相應(yīng)地調(diào)整樂(lè)器即可。
在操作樂(lè)器時(shí)，握住音叉可能會(huì)有點(diǎn)麻煩，因此一些音樂(lè)家決定用牙齒咬住響鈴音叉的底座。這樣做的獨(dú)特效果是通過(guò)骨骼傳遞聲音，讓大腦通過(guò)下顎 "聽(tīng)到" 音調(diào)。根據(jù)一些都市傳說(shuō)，用振動(dòng)音叉觸碰牙齒足以讓牙齒爆炸。這顯然是虛構(gòu)的，但如果你有蛀牙或牙齒缺損，你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種方法會(huì)讓你痛苦不堪。
幸運(yùn)的是，您也可以買到安裝在共鳴器頂部的音叉，共鳴器是一個(gè)空心木盒，旨在放大音叉的振動(dòng)。1860 年，一對(duì)德國(guó)發(fā)明家甚至設(shè)計(jì)出了一種電池供電的音叉，音樂(lè)家們無(wú)需反復(fù)敲響它。
當(dāng)然，即使是最精致的音叉，對(duì)大多數(shù)現(xiàn)代音樂(lè)家來(lái)說(shuō)也沒(méi)什么用處。和大多數(shù)東西一樣，簡(jiǎn)陋的音叉已被電腦淘汰?，F(xiàn)在，大多數(shù)音樂(lè)家都隨身攜帶 20 美元的電子調(diào)音器，只有一包卡片大小。彈奏任何音符，調(diào)音器都會(huì)自動(dòng)檢測(cè)出是哪個(gè)音，并告訴你是升音還是降音。一家西班牙公司最近也推出了一款 APP，讓音樂(lè)家只需用手機(jī)就能調(diào)音。不過(guò)，不管是出于謹(jǐn)慎還是出于情懷，對(duì)于大多數(shù)嚴(yán)肅的音樂(lè)家來(lái)說(shuō)，在家里至少放一把音叉并不罕見(jiàn)。
音叉一定要用在音樂(lè)上嗎
音叉在保證管弦樂(lè)隊(duì)和音樂(lè)會(huì)樂(lè)隊(duì)正常運(yùn)行的同時(shí)，也在世界各地的醫(yī)院、實(shí)驗(yàn)室和警察局中發(fā)揮著重要作用。
在一些聽(tīng)力學(xué)家中，音叉仍然是測(cè)試某些類型聽(tīng)力損失的首選方法。在一種被稱為 "林恩測(cè)試" 的方法中，醫(yī)生首先將嗡嗡作響的音叉放在患者頭骨上，用秒表記錄患者能聽(tīng)到音叉聲音的時(shí)間長(zhǎng)度。然后，醫(yī)生再次敲擊音叉，并計(jì)算當(dāng)音叉放在耳朵旁邊時(shí)，患者能聽(tīng)到聲音的時(shí)間長(zhǎng)度。如果患者通過(guò)骨頭聽(tīng)到音叉聲音的時(shí)間比通過(guò)耳朵聽(tīng)到音叉的時(shí)間長(zhǎng)，說(shuō)明耳道聲波傳導(dǎo)有問(wèn)題。在一個(gè)類似的測(cè)試（稱為韋伯測(cè)試）中，將一個(gè)振動(dòng)音叉放在患者前額中間。通過(guò)找出哪只耳朵聽(tīng)到音叉的聲音最大，醫(yī)生就能確定哪只耳朵受損。
在身邊沒(méi)有 X 射線設(shè)備的情況下，音叉也可以作為一種臨時(shí)方法來(lái)確定是否骨折。只需將振動(dòng)的音叉靠近疑似骨折的部位即可。如果你感到一陣突然的疼痛，就該去醫(yī)院了。
在過(guò)去的 15 年里，音叉在替代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也受到大量關(guān)注。在一種 稱作音叉療法的實(shí)踐中，患者靜靜地躺在一張床上，治療師持振動(dòng)的音叉從患者身體上方掠過(guò)，這種療法的理念是音叉的振動(dòng)可以讓心理變得清澈明亮，并改善身體能量。這種療法并沒(méi)有科學(xué)證據(jù)，但在一個(gè)充滿輕柔嗡嗡聲的音叉的房間里閑逛可能會(huì)讓任何人心情愉快。
你是否收到過(guò)超速罰單呢？音叉可能是那個(gè)真正給你開(kāi)出罰單的人。警用雷達(dá)槍通過(guò)向接近的車輛發(fā)射雷達(dá)信號(hào)測(cè)量速度。雷達(dá)信號(hào)返回有多快就反映了汽車運(yùn)動(dòng)有多快。為了校準(zhǔn)雷達(dá)槍，警察需要以 50 英里每小時(shí) (80.5 公里每小時(shí)) 的速度運(yùn)動(dòng)，并用雷達(dá)槍向?qū)ｉT為此設(shè)計(jì)的音叉發(fā)射信號(hào)。如果雷達(dá)槍顯示的讀數(shù)不是 50 英里每小時(shí)，就說(shuō)明需要校準(zhǔn)了。
作者：Tristin Hopper
翻譯：利有攸往
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本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Tristin Hopper
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