王振东：飞湍瀑流争喧豗——漫话流体运动致声和声音的双重作用

　　连峰去天不盈尺，枯松倒挂倚绝壁。

　　飞湍瀑流争喧豗，砅崖转石万壑雷。

　　这是唐代诗人李白（701～762年）的名作《蜀道难》片断。《蜀道难》相传是唐玄宗天宝初年，李白第一次到长安时，袭用乐府古题，用浪漫主义的激情，对秦蜀道路上奇丽惊险的山川所作的生动描绘。这段七言古诗片断，被认为是从山川之险揭示古时蜀道之难，描写达到登峰造极地步的四句。诗人先托出山势的高险，用“连峰去天不盈尺”夸饰山峰之高，“枯松倒挂倚绝壁”衬托绝壁之险。然后由静而动，又用“飞湍（tuān）瀑（pù）流争喧豗（huī,喧豗指轰响声），砅（pēng,撞击意）崖转石万壑雷”写出飞流而下湍急的瀑布争竞作响，水石激荡，山谷轰鸣的惊险场景。这好像是一连串的电影镜头：开始是山峦起伏、连峰接天的远景画面；
接着是平缓地推出枯松倒挂绝壁的特写；
而后是一组快镜头，飞湍、瀑流、悬崖、转石，配合着万壑雷鸣的音响飞快地从眼前闪过，惊险万状，目不暇接，从而造成一种势若排山倒海的强烈艺术效果，使古蜀道之难的描写达到了让人惊心动魂、望而生畏的地步。诗人的这组快镜头正是用飞流惊湍、悬崖落瀑造成的万壑雷鸣的流体运动致声的景象，来达到浪漫主义的艺术描写的。

　　实际上，不少古代诗人都有涉及流体运动致声的诗句，如高适（约702～765年）《金城北楼》：

　　湍上急流声若箭，城头残月势如弓。

　　岑参（约715～770年）《走马川行奉送封大夫出师西征》：

　　轮台九月风夜吼，一川碎石大如斗，隨风满地石乱走。

　　刘禹锡（772～842年）《浪淘沙：八月涛声》：

　　八月涛声吼地来，头高数丈触山回。

　　唐肃（1328～1371年）《峡口晚泊》：

　　渐闻湍响急，渡峡是归州。

　　高启（1136～1374年）《登金陵雨花台望大江》：

　　石头城下涛声怒，武骑千群谁敢渡？

　　唐代诗人韦应物（约735～约792年）与众不同，擅于思理，写有两首涉及思考流体运动为什么会引起巨大声响问题的五言古诗，其一是《听嘉陵江水声寄深上人》：

　　凿崖泄奔湍，称古神禹迹。夜喧山门店，独宿不安席。

　　水性自云静，石中本无声。如何两相激，雷转空山惊。

　　贻之道门归，了此物我情。

　　其二是《赠卢嵩》：

　　百川注东海，东流无虚盈。泥滓不能浊，澄波非益清。

　　恬然自安流，日照万里晴。云物不隐象，三山共分明。

　　奈何疾风怒，忽若砥柱倾。海水虽无心，洪涛亦相惊。

　　怒号在倏忽，谁识变化情？

　　韦应物这两首诗，不仅形象地描述了流体运动致声的现象，而且还对流体运动为什么会致声，深入思考并提出了疑问：“水性自云静，石中本无声。如何两相激，雷转空山惊。”“海水虽无心，洪涛亦相惊。怒号在倏（shū）忽，谁识变化情？”云静的水和无声的石为什么相拍激就会发出巨大的声响？海水为什么会产生惊涛，为什么突然会发出怒吼的响声？这使诗人在诗的结尾喊出了：“谁识变化情？”

　　韦应物诗中提出了两个疑问，一是疾风何以引起海水的波涛？这是风生波的流动不稳定性问题，笔者将有另文专门讨论，这里暂不多述。另一是水石相激为什么会发生声响？波涛为什所会发出声响？这同属于流体运动为什么会发出声响的问题。

　　声音是由物体运动产生的

　　什么是声音？现在我们用“声音”一词有两重意思：客观的声波（或声振动），和人主观的声感觉（即响声）。声波是任何弹性媒质（气体、液体、固体）中传播的扰动（压力、应力、质点速度、质点位移等的变化，或其中几种量的同时变化）。弹性媒质的质点发生振动，以波的形式向四面八方传播开来，就在人的听觉器官上引起了声响的感觉。人可以听到的声波的频率范围为20Hz一20000Hz（每形振动一次为1赫，Hz是赫的符号）。20Hz以下的声波称为次声，20000Hz以上的声波称为超声。在不同的媒质中，声波的传播速度不同，在20℃和标准大气压下，声波在空气中的速度是344m/s，在水中的传播速度是1450m/s，在钢铁中的传播速度约为5000m/s 。

　　声音是由物体运动产生的，然后通过幅射传播传到人耳引起听觉。水、空气、岩石都是弹性媒质，它们之间相撞（包括水与水，气与气相撞）都会发生振动，并以波的形式向四面八方幅射传播，凡在20Hz一20000Hz范围内的声波，人都可以听到。某些形式弹性媒质相撞所幅射的总声功率，己可以从实验和理论计算得到。

　　声波发出后，遇见物体时还会反射、折射和衍射。人们听到的流体运动所产生的声响，往往是多种声波的组合。当区域的边界条件（如山谷等）使某几种声波互相激励、发生共振时，就会产生轰鸣的感觉。李白《蜀道难》诗中所写飞流惊湍、悬崖落瀑造成的万壑雷鸣的音响，也正是多种声波相互激励、产生共振的结果。

　　我国古代不仅乐律、乐器等发展很早，对声学的理解也是先人一筹。东汉王充（27一约97年）在《论衡》中已将声与水波类比，对声音的波动性质有了正确的看法。北宋张载（1020～1077年）更明确地认为“声者形气相轧而成”，这包括气体相互作用的雷电、固体间撞击、固体高速穿过气体、高速气体喷注及其与固体相遇时产生声音的过程，几乎与今日的理解相同。张载还认为“声成文谓之音”（音指好听的声，现称为律音），“音和乃成乐”（音乐），“响之附声如影之著形”（响是声的作用，即人的声觉），“群呼烦忧”为噪（即噪声）。可见那时对声学理解的表达用字己相当讲究。

　　声音的双重作用

　　声音（包括流体运动所致声）对人的影响作用是双重性的。悠扬悦耳的乐曲能使人心旷神怡，消除疲劳。据考古发掘证实，我国约八千年前就已有笛，七千年前就有古老的吹奏乐器一埙，之后有钟、磬、鼓、琴、箫等。《诗经》中提到的乐器，有29种之多。唐代的乐器空前发达，加上外域传来的，据记载己有300种以上。北宋沈括（1031～1095年）在《梦溪笔谈》中记载了琴瑟上调弦时的共振实验：“欲知其应者，先调诸弦令和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦则纸人跃，他弦不动”。明皇子朱载堉在世界上首先提出了十二平均律。这些贡献都是很了不起的。但由于没有形成量化的精确表达方式，所以象振动周期、频率、音速等基本概念都不是首先在中国准确形成的。

　　瀑流发出的声音有时也是悠扬悦耳的，是对健康有益的环境因素。所以瀑流的声响有时也被当作为旅游资源开发，如天津薊县的盘山以“水胜、石胜、松胜”闻名，其中水胜即由刻于清同治十一年（1872年）的景点“响涧”而来。这里瀑布奔泻和水击岩石的声响声势虽很大，但却叫人心旷神怡，从而使游人赞叹不已。

　　另一方面，杂乱烦人的噪声使人烦躁不安，威胁着人们的身心健康。噪声是不同频率、不同强度、无规律而杂乱组合在一起的声音。噪声的波形是无规则、非周期的曲线。由构件碰撞或摩擦等所辐射的噪声称为机械噪声；
由流体运动或物体相对于流体运动所辐射的噪声，称为气流噪声或水动力噪声。人若長时间留在噪声的环境中，大脑处于兴奋状态不能抑制，会使神经系统失去平衡，引起失眠、疲劳、头昏、思维能力和记忆力衰退等症状，甚是会损伤人的听力。我国规定城市区域环境噪声的标准为：白天45dB一70dB，夜间35dB一55dB（分贝是声功率的单位，以dB表示，0分贝为l皮瓦即10ˉ¹² 瓦）。现在许多地方的噪声已经超出此标准，被称为噪声污染，是一种公害。

　　噪声在个别时候也可利用，如人们从自然噪声中可获取生活上必需的信息：风啸和雷声可预报风雨。人们也在制造噪声弹，其爆炸产生的噪声波可造成水中鱼儿短时间昏迷，以便人们捕捉。

　　声纳技术是在水中以声音导航与测距的技术，它能辨认是什么船只发出的螺旋桨声音，以及声音的方向。而潜艇发出的噪声是潜艇的特征之一，所以各国海军均将其潜艇的噪声资料作为绝密资料保存起来。由附图可见船舶噪声的传播途径。

　　气流噪声或水动力噪声是重要的噪声污染源。从喷气机和火箭，锅炉排气放空，汽车和其他热机的进、排气，气动工具，通风系统，到管道和阀门的排气漏气等都有噪声问题。有效地降低流体噪声是减少噪声污染的重要方面。科学工作者在分别研究各种流体噪声的规律和特征的基础上，设计有针对性的消声装置和降噪方法，以降低各种流体噪声。

　　关键词：
流体运动 声音 噪声

　　（本文原刊登于《科学》2005年57卷1期，作者授权天益发布）

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