音叉中的物理学

当合唱团长走进房间时，合唱团鸦雀无声。"好了，开始调音吧！" 她向集合起来的歌手们宣布。她从口袋里拿出一个两头尖的金属工具，用它敲击自己的膝盖。一阵刺耳的呜呜声后，它开始发出神秘而天使般的嗡嗡声。将工具的底座靠在木桌上，嗡嗡声变得更加响亮。歌手们仔细聆听这个发出声响的小金属片，并据此调整自己的声音。

钢琴会失去音准，吉他也会走音，甚至教堂风琴也需要时不时地调音。几个世纪以来，辨别一个乐器音准不准的唯一可靠方法就是使用音叉：音叉是一种带两个叉的全金属装置，长度与黄油刀相当。音叉制作简单，使用方便，能保证百分之百的音准。如今，在古董店里，你可以找到有 300 年历史的音叉，它们发出的音符与它们刚被生产时一样清晰、清脆。

1711 年，为英国王室工作的小号演奏家约翰・肖尔 (John Shore) 首先发明了这种装置。在音乐会上，肖尔戏称自己的发明为 "音调叉"。肖尔的发明很快成为全世界音乐家的必备工具。在肖像画中，合唱团团长们挥舞着音叉摆出各种姿势。年轻的音乐家在成功通过音乐学院考试后，会得到镀金的音叉。如今，市值 35 亿美元的雅马哈公司的标志就是三把音叉。音叉甚至出现在电话发明家亚历山大・格雷厄姆・贝尔 (Alexander Graham Bell) 最早的一些实验中。1876 年，贝尔首次使用电池、通电音叉和一杯酸性溶液通过电线传输声音。

音叉的 "演奏" 相对简单：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，然后听它响 5 秒钟左右。用力拍或轻轻拍，音调总是一样的。这看上去就像魔法一样。

下面我们来介绍这一块金属是如何创造音乐的。

音叉是怎么发声的

你每一次敲击音叉的时候，你都发动了一次微小而无形的飓风。音叉的两根叉齿以极快的速度来回摆动，与附近的空气分子撞击，形成一系列的冲击波，在空气中传播。当这些剧烈的微小碰撞撞击到你的鼓膜时，你的大脑会将其处理为轻微的嗡嗡声。

敲击音叉时，其叉齿前后振荡频率达到每秒上百次。通常情况下，这种振荡非常快，以至于肉眼根本看不出来。如果你想要证明它确实在振荡，只需要将正在发出嗡嗡声的音叉浸入一杯水中，它就会喷出水柱，其剧烈程度一定会令你大吃一惊。在科学的语境下，音叉振动的“速度”用物理量频率来描述，它的单位是赫兹 (Hz)，或者振动次数每秒。

振动的音叉与周围空气的相互作用，使得声音可以产生。当音叉的叉齿相互远离时，会将周围的空气分子推到一起，形成小的高压区，称为压缩区。当音叉叉齿相互靠拢时，会吸着周围的空气分子使它们彼此远离，形成小的低压区，称为稀疏区。结果，一系列稀疏区和压缩区稳定地出现，形成声波。

音叉振动得越快，它所演奏出的音符就越高。例如，对于一个可以演奏钢琴的最高音符的音叉，它需要按照 4000Hz 的频率振动。另一方面，为了产生钢琴的最低音符，它只需要按 28Hz 的频率振动。

但如何调节音叉的振动速度呢？首先，可以调整音叉的长度。叉齿越小，振动时叉齿需要移动的距离就越短，振动的速度就越快。这和吉他弦的原理是一样的。张紧的琴弦没有太多的振动空间，因此振动更快。而松弛的琴弦来回振动的时间较长，因此音调较低。顺便提一下，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。如果有人找到一个足够大的锤子来敲击它，声音频率很可能会太低，人耳很难听到。

你还可以通过使用不同的材料来改变音叉的音高。铜和钢等密度大的金属振动时音调高而清脆。黄铜等软金属则音调低沉。而像锡、金和铅这类非常软的金属则不会发出任何声音。不过，出于成本考虑，大多数现代音叉都由不锈钢制成。

接下来你会发现音叉还可以让你的牙齿爆炸。

有害的振动

2008 年，在加拿大西部的一场摇滚音乐会中，数十名舞者因教堂地板倒塌而受伤。据调查人员称，舞者的同步动作 "像音叉一样" 产生了特定频率的振动，将地板震得四分五裂

如何使用音叉调音

听过走音的钢琴的演奏吗？钢琴的琴弦走音，导致各琴键的频率之间不再满足正确的关系。通常，钢琴上的琴键代表音阶中的不同音符。但如果没有正确的调音，它们就只是随机频率的音符排在一起。如果把它们放在一起演奏，听起来就会杂乱无章。乐队、合唱团或管弦乐队也是如此。如果没有将乐器或声音调整到同一音调，它们听起来就会像失调的钢琴一样。音叉的作用就是建立一个大家都遵循的统一音调标准。

大多数音叉的振动频率为 440 赫兹，音乐家称之为 "音乐会 A 调"。要给钢琴调音，首先要弹奏钢琴的 "A" 键，同时敲击 "A" 音叉。如果钢琴走音，你会听到钢琴弹奏的音符和音叉弹奏的音符之间有明显的颤音；颤音相隔越远，钢琴走音越严重。通过拧紧或松开钢琴的琴弦，可以减少颤音，直到钢琴的音与音叉一致。一旦 "A" 键调准，就可以调整钢琴的其他 87 个键。大多数其他乐器的调音方法大致相同。无论是为单簧管还是吉他调音，只需调准音乐会 A 调，然后相应地调整乐器即可。

在操作乐器时，握住音叉可能会有点麻烦，因此一些音乐家决定用牙齿咬住响铃音叉的底座。这样做的独特效果是通过骨骼传递声音，让大脑通过下颚 "听到" 音调。根据一些都市传说，用振动音叉触碰牙齿足以让牙齿爆炸。这显然是虚构的，但如果你有蛀牙或牙齿缺损，你很快就会发现这种方法会让你痛苦不堪。

幸运的是，您也可以买到安装在共鸣器顶部的音叉，共鸣器是一个空心木盒，旨在放大音叉的振动。1860 年，一对德国发明家甚至设计出了一种电池供电的音叉，音乐家们无需反复敲响它。

当然，即使是最精致的音叉，对大多数现代音乐家来说也没什么用处。和大多数东西一样，简陋的音叉已被电脑淘汰。现在，大多数音乐家都随身携带 20 美元的电子调音器，只有一包卡片大小。弹奏任何音符，调音器都会自动检测出是哪个音，并告诉你是升音还是降音。一家西班牙公司最近也推出了一款 APP，让音乐家只需用手机就能调音。不过，不管是出于谨慎还是出于情怀，对于大多数严肃的音乐家来说，在家里至少放一把音叉并不罕见。

音叉一定要用在音乐上吗

音叉在保证管弦乐队和音乐会乐队正常运行的同时，也在世界各地的医院、实验室和警察局中发挥着重要作用。

在一些听力学家中，音叉仍然是测试某些类型听力损失的首选方法。在一种被称为 "林恩测试" 的方法中，医生首先将嗡嗡作响的音叉放在患者头骨上，用秒表记录患者能听到音叉声音的时间长度。然后，医生再次敲击音叉，并计算当音叉放在耳朵旁边时，患者能听到声音的时间长度。如果患者通过骨头听到音叉声音的时间比通过耳朵听到音叉的时间长，说明耳道声波传导有问题。在一个类似的测试（称为韦伯测试）中，将一个振动音叉放在患者前额中间。通过找出哪只耳朵听到音叉的声音最大，医生就能确定哪只耳朵受损。

在身边没有 X 射线设备的情况下，音叉也可以作为一种临时方法来确定是否骨折。只需将振动的音叉靠近疑似骨折的部位即可。如果你感到一阵突然的疼痛，就该去医院了。

在过去的 15 年里，音叉在替代医学领域也受到大量关注。在一种 称作音叉疗法的实践中，患者静静地躺在一张床上，治疗师持振动的音叉从患者身体上方掠过，这种疗法的理念是音叉的振动可以让心理变得清澈明亮，并改善身体能量。这种疗法并没有科学证据，但在一个充满轻柔嗡嗡声的音叉的房间里闲逛可能会让任何人心情愉快。

你是否收到过超速罚单呢？音叉可能是那个真正给你开出罚单的人。警用雷达枪通过向接近的车辆发射雷达信号测量速度。雷达信号返回有多快就反映了汽车运动有多快。为了校准雷达枪，警察需要以 50 英里每小时 (80.5 公里每小时) 的速度运动，并用雷达枪向专门为此设计的音叉发射信号。如果雷达枪显示的读数不是 50 英里每小时，就说明需要校准了。

作者：Tristin Hopper

翻译：利有攸往

审校：小线

原文链接：How Tuning Forks Work

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Tristin Hopper

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