當(dāng)合唱團長走進房間時，合唱團鴉雀無聲。"好了，開始調(diào)音吧！" 她向集合起來的歌手們宣布。她從口袋里拿出一個兩頭尖的金屬工具，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)聆聽這個發(fā)出聲響的小金屬片，并據(jù)此調(diào)整自己的聲音。
鋼琴會失去音準(zhǔn)，吉他也會走音，甚至教堂風(fēng)琴也需要時不時地調(diào)音。幾個世紀(jì)以來，辨別一個樂器音準(zhǔn)不準(zhǔn)的唯一可靠方法就是使用音叉：音叉是一種帶兩個叉的全金屬裝置，長度與黃油刀相當(dāng)。音叉制作簡單，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)時一樣清晰、清脆。
1711 年，為英國王室工作的小號演奏家約翰?肖爾 (John Shore) 首先發(fā)明了這種裝置。在音樂會上，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家的必備工具。在肖像畫中，合唱團團長們揮舞著音叉擺出各種姿勢。年輕的音樂家在成功通過音樂學(xué)院考試后，會得到鍍金的音叉。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) 最早的一些實驗中。1876 年，貝爾首次使用電池、通電音叉和一杯酸性溶液通過電線傳輸聲音。
音叉的 "演奏" 相對簡單：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。
下面我們來介紹這一塊金屬是如何創(chuàng)造音樂的。
音叉是怎么發(fā)聲的
你每一次敲擊音叉的時候，你都發(fā)動了一次微小而無形的颶風(fēng)。音叉的兩根叉齒以極快的速度來回擺動，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，你的大腦會將其處理為輕微的嗡嗡聲。
敲擊音叉時，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?？欤灾劣谌庋鄹究床怀鰜?。如果你想要證明它確實在振蕩，只需要將正在發(fā)出嗡嗡聲的音叉浸入一杯水中，它就會噴出水柱，其劇烈程度一定會令你大吃一驚。在科學(xué)的語境下，音叉振動的“速度”用物理量頻率來描述，它的單位是赫茲 (Hz)，或者振動次數(shù)每秒。
振動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，會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，會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。
音叉振動得越快，它所演奏出的音符就越高。例如，對于一個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。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。
但如何調(diào)節(jié)音叉的振動速度呢？首先，可以調(diào)整音叉的長度。叉齒越小，振動時叉齒需要移動的距離就越短，振動的速度就越快。這和吉他弦的原理是一樣的。張緊的琴弦沒有太多的振動空間，因此振動更快。而松弛的琴弦來回振動的時間較長，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。如果有人找到一個足夠大的錘子來敲擊它，聲音頻率很可能會太低，人耳很難聽到。
你還可以通過使用不同的材料來改變音叉的音高。銅和鋼等密度大的金屬振動時音調(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發(fā)出任何聲音。不過，出于成本考慮，大多數(shù)現(xiàn)代音叉都由不銹鋼制成。
接下來你會發(fā)現(xiàn)音叉還可以讓你的牙齒爆炸。
有害的振動
2008 年，在加拿大西部的一場搖滾音樂會中，數(shù)十名舞者因教堂地板倒塌而受傷。據(jù)調(diào)查人員稱，舞者的同步動作 "像音叉一樣" 產(chǎn)生了特定頻率的振動，將地板震得四分五裂
如何使用音叉調(diào)音
聽過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。但如果沒有正確的調(diào)音，它們就只是隨機頻率的音符排在一起。如果把它們放在一起演奏，聽起來就會雜亂無章。樂隊、合唱團或管弦樂隊也是如此。如果沒有將樂器或聲音調(diào)整到同一音調(diào)，它們聽起來就會像失調(diào)的鋼琴一樣。音叉的作用就是建立一個大家都遵循的統(tǒng)一音調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。
大多數(shù)音叉的振動頻率為 440 赫茲，音樂家稱之為 "音樂會 A 調(diào)"。要給鋼琴調(diào)音，首先要彈奏鋼琴的 "A" 鍵，同時敲擊 "A" 音叉。如果鋼琴走音，你會聽到鋼琴彈奏的音符和音叉彈奏的音符之間有明顯的顫音；顫音相隔越遠(yuǎn)，鋼琴走音越嚴(yán)重。通過擰緊或松開鋼琴的琴弦，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 個鍵。大多數(shù)其他樂器的調(diào)音方法大致相同。無論是為單簧管還是吉他調(diào)音，只需調(diào)準(zhǔn)音樂會 A 調(diào)，然后相應(yīng)地調(diào)整樂器即可。
在操作樂器時，握住音叉可能會有點麻煩，因此一些音樂家決定用牙齒咬住響鈴音叉的底座。這樣做的獨特效果是通過骨骼傳遞聲音，讓大腦通過下顎 "聽到" 音調(diào)。根據(jù)一些都市傳說，用振動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，你很快就會發(fā)現(xiàn)這種方法會讓你痛苦不堪。
幸運的是，您也可以買到安裝在共鳴器頂部的音叉，共鳴器是一個空心木盒，旨在放大音叉的振動。1860 年，一對德國發(fā)明家甚至設(shè)計出了一種電池供電的音叉，音樂家們無需反復(fù)敲響它。
當(dāng)然，即使是最精致的音叉，對大多數(shù)現(xiàn)代音樂家來說也沒什么用處。和大多數(shù)東西一樣，簡陋的音叉已被電腦淘汰。現(xiàn)在，大多數(shù)音樂家都隨身攜帶 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)音器都會自動檢測出是哪個音，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，讓音樂家只需用手機就能調(diào)音。不過，不管是出于謹(jǐn)慎還是出于情懷，對于大多數(shù)嚴(yán)肅的音樂家來說，在家里至少放一把音叉并不罕見。
音叉一定要用在音樂上嗎
音叉在保證管弦樂隊和音樂會樂隊正常運行的同時，也在世界各地的醫(yī)院、實驗室和警察局中發(fā)揮著重要作用。
在一些聽力學(xué)家中，音叉仍然是測試某些類型聽力損失的首選方法。在一種被稱為 "林恩測試" 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到音叉聲音的時間長度。然后，醫(yī)生再次敲擊音叉，并計算當(dāng)音叉放在耳朵旁邊時，患者能聽到聲音的時間長度。如果患者通過骨頭聽到音叉聲音的時間比通過耳朵聽到音叉的時間長，說明耳道聲波傳導(dǎo)有問題。在一個類似的測試（稱為韋伯測試）中，將一個振動音叉放在患者前額中間。通過找出哪只耳朵聽到音叉的聲音最大，醫(yī)生就能確定哪只耳朵受損。
在身邊沒有 X 射線設(shè)備的情況下，音叉也可以作為一種臨時方法來確定是否骨折。只需將振動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 稱作音叉療法的實踐中，患者靜靜地躺在一張床上，治療師持振動的音叉從患者身體上方掠過，這種療法的理念是音叉的振動可以讓心理變得清澈明亮，并改善身體能量。這種療法并沒有科學(xué)證據(jù)，但在一個充滿輕柔嗡嗡聲的音叉的房間里閑逛可能會讓任何人心情愉快。
你是否收到過超速罰單呢？音叉可能是那個真正給你開出罰單的人。警用雷達(dá)槍通過向接近的車輛發(fā)射雷達(dá)信號測量速度。雷達(dá)信號返回有多快就反映了汽車運動有多快。為了校準(zhǔn)雷達(dá)槍，警察需要以 50 英里每小時 (80.5 公里每小時) 的速度運動，并用雷達(dá)槍向?qū)ｉT為此設(shè)計的音叉發(fā)射信號。如果雷達(dá)槍顯示的讀數(shù)不是 50 英里每小時，就說明需要校準(zhǔn)了。
作者：Tristin Hopper
翻譯：利有攸往
審校：小線
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Tristin Hopper
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