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声音彩虹

已有 3799 次阅读 2017-5-28 10:33 |个人分类:我的教学|系统分类:教学心得| 科技馆, Chirp


中国科技馆坐落在美丽的奥体公园东面。每天这里都是

游人如织。


今天傍晚,在中国科技馆测试完展品之后从北门出来,

忽听得身后偌大的科技馆墙壁上一声声鸟鸣呼啸而过。

回身张望,在 一声声啾啾过后,没有看到任何鸟类踪影。







大家点击上面音频可以听到鸟叫的特殊的Chirp声响,

是频率从高到低极速降低的声响。现场还可以感觉到声

源在墙壁上从左往右快速略过。


正在感到奇怪这声音哪儿来的时候,远远望见马路对过

的停车场内,两个中年男子正在玩陀螺。走上前去,看

到他们挥舞手中的鞭子抽打着巨大的陀螺进行休闲健身。

显然他们的鞭子的声音与刚才听到的鸟鸣声音之间存在

着因果关系。


听着鞭子的清脆的啪啪的声响,显然这与墙壁附近听到的鸟

鸣声有着明显的差别,而且在陀螺附近几乎听不到远处科技

馆北墙的回声。


我们都有听到回声的经验,在山里游玩的时候,听到远处山

体返回的我们的呼喊声,与我们发出的声音几乎是相同的。

那么在中国科技馆的北墙所听到的鞭子的反射声音为什么变

成了鸟叫声音了呢?


如下是走进科技馆北墙拍摄的墙壁表面结构,它上面是有均

有的瓦楞铁皮覆盖着瓦楞的空间周期大约10厘米左右。难道

刚才的啾啾声音与墙壁表面结构有关系?



骑车回到家里吃晚饭的时候,给儿子播放了手机里拍摄科

技馆北门外的声响,考他一个问题,为什么鞭子的回声变

成了鸟鸣?


当儿子看到墙壁的照片时,突然说他有了解释。鞭子清脆

的击打声音实际上包含了很多频率分量(这个概念应该是

在今年信号与系统课上讲解的概念,他怎么会知道这个?),

而科技馆的瓦楞墙面则像一个光栅一样,通过波的干涉现象,

将声音的频率分量在空间进行了分解,于是就出现了空间

上的声音彩虹。



但他马上意识到,瓦楞墙壁将鞭子脉冲声音的分解,是

沿着不同的方位进行分解声音的频率,只有在迅速在空

间移动,才能够听到不同频率的声音。那么为什么站在

一个固定的地方,就可以听到声音的变化呢?


经过提醒,声波和光波传输速度上存在着巨大的差别,

最后他给出了自认为满意的解释。


站在科技馆的北墙附近,可以听到从瓦楞墙面不同方位

分解的声音的不同频率,但是由于不同方向上的反射路

径长度不一样,所以不同频率到达耳朵的时间就有了先

后。所在的位置恰好是高频声音路径短,低频声音路径

长。所以听到的就是啾啾的鸟叫声。由于频率来自于不

同方位,所以感觉上,鸟鸣声是从头顶飞啸而过。



在信号处理领域常常将频率线性变化的信号称为Chirp信号,

类似于鸟鸣的声音。至今为止,人类探测到的最强的一个

Chirp信号就是去年LIGO检测到的两个黑洞合并过程中所

产生的引力波信号。














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2 王林平 mrwangrongming

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