王振東飛湍瀑流爭喧豗漫話流體運動致聲和聲音的雙重作用

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連峰去天不盈尺，枯松倒掛倚絕壁。

飛湍瀑流爭喧豗，砅崖轉(zhuǎn)石萬壑雷。

這是唐代詩人李白（701～762年）的名作《蜀道難》片斷?！妒竦离y》相傳是唐玄宗天寶初年，李白第一次到長安時，襲用樂府古題，用浪漫主義的激情，對秦蜀道路上瑰麗驚險的山川所作的生動描繪。這段七言古詩片斷，被認為是從山川之險透露古時蜀道之難，描寫達成登峰造極地步的四句。詩人先托出山勢的高險，用“連峰去天不盈尺”夸飾山峰之高，“枯松倒掛倚絕壁”襯托絕壁之險。然后由靜而動，又用“飛湍（tuān）瀑（pù）流爭喧豗（huī,喧豗指轟響聲），砅（pēng,撞擊意）崖轉(zhuǎn)石萬壑雷”寫出飛流而下湍急的瀑布爭競作響，水石激蕩，山谷轟鳴的驚險場景。這猶如是一連串的電影鏡頭：開頭是山巒起伏、連峰接天的遠景畫面；

接著是平緩地推出枯松倒掛絕壁的特寫；

而后是一組快鏡頭，飛湍、瀑流、懸崖、轉(zhuǎn)石，合作著萬壑雷鳴的音響快速地從眼前閃過，驚險萬狀，目不暇接，從而造成一種勢若排山倒海的猛烈藝術效果，使古蜀道之難的描寫達成了讓人驚心動魂、望而生畏的地步。詩人的這組快鏡頭正是用飛流驚湍、懸崖落瀑造成的萬壑雷鳴的流體運動致聲的景象，來達成浪漫主義的藝術描寫的。

實際上，不少古代詩人都有涉及流體運動致聲的詩句，如高適（約702～765年）《金城北樓》：

湍上急流聲若箭，城頭殘月勢如弓。

岑參（約715～770年）《走馬川行奉送封大夫出師西征》：

輪臺九月風夜吼，一川碎石大如斗，隨風滿地石亂走。

劉禹錫（772～842年）《浪淘沙：八月濤聲》：

八月濤聲吼地來，頭高數(shù)丈觸山回。

唐肅（1328～1371年）《峽口晚泊》：

漸聞湍響急，渡峽是歸州。

高啟（1136～1374年）《登金陵雨花臺望大江》：

石頭城下濤聲怒，武騎千群誰敢渡？

唐代詩人韋應物（約735～約792年）與眾不同，擅于思理，寫有兩首涉及斟酌流體運動為什么會引起巨大聲響問題的五言古詩，其一是《聽嘉陵江水聲寄深上人》：

鑿崖泄奔湍，稱古神禹跡。夜喧山門店，獨宿擔心席。

水性自云靜，石中本無聲。如何兩相激，雷轉(zhuǎn)空山驚。

貽之道門歸，了此物我情。

其二是《贈盧嵩》：

百川注東海，東流無虛盈。泥滓不能濁，澄波非益清。

恬然自安流，日照萬里晴。云物不隱象，三山共清晰。

奈何疾風怒，忽若砥柱傾。海水雖無心，洪濤亦相驚。

怒號在倏忽，誰識變化情？

韋應物這兩首詩，不僅形象地描述了流體運動致聲的現(xiàn)象，而且還對流體運動為什么會致聲，深入斟酌并提出了疑問：“水性自云靜，石中本無聲。如何兩相激，雷轉(zhuǎn)空山驚?！薄昂Ｋm無心，洪濤亦相驚。怒號在倏（shū）忽，誰識變化情？”云靜的水和無聲的石為什么相拍激就會發(fā)出巨大的聲響？海水為什么會產(chǎn)生驚濤，為什么突然會發(fā)出怒吼的響聲？這使詩人在詩的結(jié)尾喊出了：“誰識變化情？”

韋應物詩中提出了兩個疑問，一是疾風何以引起海水的波濤？這是風生波的滾動不穩(wěn)定性問題，筆者將有另文特意議論，這里暫不多述。另一是水石相激為什么會發(fā)生聲響？波濤為什所會發(fā)出聲響？這同屬于流體運動為什么會發(fā)出聲響的問題。

聲音是由物體運動產(chǎn)生的

什么是聲音？現(xiàn)在我們用“聲音”一詞有兩重意思：客觀的聲波（或聲振動），和人主觀的聲感覺（即響聲）。聲波是任何彈性媒質(zhì)（氣體、液體、固體）中傳播的擾動（壓力、應力、質(zhì)點速度、質(zhì)點位移等的變化，或其中幾種量的同時變化）。彈性媒質(zhì)的質(zhì)點發(fā)生振動，以波的形式向周圍八方傳播開來，就在人的聽覺器官上引起了聲響的感覺。人可以聽到的聲波的頻率范圍為20Hz一20000Hz（每形振動一次為1赫，Hz是赫的符號）。20Hz以下的聲波稱為次聲，20000Hz以上的聲波稱為超聲。在不同的媒質(zhì)中，聲波的傳播速度不同，在20℃和標準大氣壓下，聲波在空氣中的速度是344m/s，在水中的傳播速度是1450m/s，在鋼鐵中的傳播速度約為5000m/s。

聲音是由物體運動產(chǎn)生的，然后通過幅射傳播傳到人耳引起聽覺。水、空氣、巖石都是彈性媒質(zhì)，它們之間相撞（包括水與水，氣與氣相撞）都會發(fā)生振動，并以波的形式向周圍八方幅射傳播，凡在20Hz一20000Hz范圍內(nèi)的聲波，人都可以聽到。某些形式彈性媒質(zhì)相撞所幅射的總聲功率，己可以從測驗和理論計算得到。

聲波發(fā)出后，遇見物體時還會反射、折射和衍射。人們聽到的流體運動所產(chǎn)生的聲響，往往是多種聲波的組合。當區(qū)域的邊界條件（如山谷等）使某幾種聲波彼此鼓舞、發(fā)生共振時，就會產(chǎn)生轟鳴的感覺。李白《蜀道難》詩中所寫飛流驚湍、懸崖落瀑造成的萬壑雷鳴的音響，也正是多種聲波相互鼓舞、產(chǎn)生共振的結(jié)果。

我國古代不僅樂律、樂器等進展很早，對聲學的理解也是先人一籌。東漢王充（27一約97年）在《論衡》中已將聲與水波類比，對聲音的波動性質(zhì)有了正確的看法。北宋張載（1020～1077年）更明確地認為“聲者形氣相軋而成”，這包括氣體相互作用的雷電、固體間撞擊、固體高速穿過氣體、高速氣體噴注及其與固體相遇時產(chǎn)生聲音的過程，幾乎與今日的理解一致。張載還認為“聲成文謂之音”（音指好聽的聲，現(xiàn)稱為律音），“音和乃成樂”（音樂），“響之附聲如影之著形”（響是聲的作用，即人的聲覺），“群呼煩憂”為噪（即噪聲）?？梢娔菚r對聲學理解的表達用字己相當講究。

聲音的雙重作用

聲音（包括流體運動所致聲）對人的影響作用是雙重性的。悠揚順耳的樂曲能使人心曠神怡，消釋疲乏。據(jù)考古挖掘表明，我國約八千年前就已有笛，七千年前就有古老的吹奏樂器一塤，之后有鐘、磬、鼓、琴、簫等。《詩經(jīng)》中提到的樂器，有29種之多。唐代的樂器空前興隆，加上外域傳來的，據(jù)記載己有300種以上。北宋沈括（1031～1095年）在《夢溪筆談》中記載了琴瑟上調(diào)弦時的共振測驗：“欲知其應者，先調(diào)諸弦令和，乃剪紙人加弦上，鼓其應弦那么紙人躍，他弦不動”。明皇子朱載堉在世界上首先提出了十二平均律。這些付出都是很了不起的。但由于沒有形成量化的精確表達方式，所以象振動周期、頻率、音速等根本概念都不是首先在中國切實形成的。

瀑流發(fā)出的聲音有時也是悠揚順耳的，是對健康有益的環(huán)境因素。所以瀑流的聲響有時也被當作為旅游資源開發(fā)，如天津薊縣的盤山以“水勝、石勝、松勝”有名，其中水勝即由刻于清同治十一年（1872年）的景點“響澗”而來。這里瀑布奔瀉和水擊巖石的聲響聲勢雖很大，但卻叫人心曠神怡，從而使游人稱贊不已。

另一方面，雜亂煩人的噪聲使人煩躁擔心，要挾著人們的身心健康。噪聲是不同頻率、不同強度、無規(guī)律而雜亂組合在一起的聲音。噪聲的波形是無規(guī)矩、非周期的曲線。由構(gòu)件碰撞或摩擦等所輻射的噪聲稱為機械噪聲；

由流體運動或物體相對于流體運動所輻射的噪聲，稱為氣流噪聲或水動力噪聲。人若長時間留在噪聲的環(huán)境中，大腦處于興奮狀態(tài)不能抑制，會使神經(jīng)系統(tǒng)失去平衡，引起失眠、疲乏、頭昏、思維才能和記憶力衰退等病癥，甚是會損傷人的聽力。我國規(guī)定城市區(qū)域環(huán)境噪聲的標準為：白天45dB一70dB，夜間35dB一55dB（分貝是聲功率的單位，以dB表示，0分貝為l皮瓦即10ˉ瓦）?，F(xiàn)在大量地方的噪聲已經(jīng)超出此標準，被稱為噪聲污染，是一種公害。

噪聲在個別時候也可利用，如人們從自然噪聲中可獲取生活上必需的信息：風嘯和雷聲可預報風雨。人們也在制造噪聲彈，其爆炸產(chǎn)生的噪聲波可造成水中魚兒短時間昏迷，以便人們抓獲。

聲納技術是在水中以聲音導航與測距的技術，它能鑒別是什么船只發(fā)出的螺旋槳聲音，以及聲音的方向。而潛艇發(fā)出的噪聲是潛艇的特征之一，所以各國海軍均將其潛艇的噪聲資料作為絕密資料保存起來。由附圖可見船舶噪聲的傳播途徑。

氣流噪聲或水動力噪聲是重要的噪聲污染源。從噴氣機和火箭，鍋爐排氣放空，