​海螺为什么会有大海的声音（关于这种物理现象的解释）

海螺为什么会有大海的声音（关于这种物理现象的解释）

你有没有遇到过，当拿着一杯香槟靠近耳朵时，我们可以听到细微的嘶嘶声。这些声音主要来自于香槟酒中微小的气泡在液体表面破裂。

但气泡破裂时，到底发生了什么，导致了这样的独特声响？气泡破裂的声音，和将海螺靠近耳朵所听到的声音，又有什么关系？

为了了解液体内气泡破裂时，产生声音的过程，有研究团队将肥皂水、香槟装在玻璃杯中，利用高速摄像机记录气泡的变化并同时用麦克风纪录所发出的声音。

透过高速摄像机，研究团队可以挑出只有单一气泡破裂的过程，在比对麦克风所记录下的声音频谱后，就得以研究在气泡破裂过程中，产生的声音是如何变化。

分析实验数据后，如直觉预期的：声音来自于气泡的破裂。当气泡升至表面时，气泡内部的气体压力被释放出来。然而，气泡并不会马上消失。

气泡在水面下的部分会在液体与气体的交界面产生震动。这个震动的频率和气泡内气体体积，以及气泡开口直径有关。这个声音震动可以透过亥姆霍兹（Helmholtz）共振模型来加以描述。

有趣的是，将海螺靠在耳边所听到的“海声”，其实背后的物理原理也是亥姆霍兹共振，这点我们会在本文稍后介绍到。

让我们先回到气泡破裂的情形，随着气泡破裂部分增加以及空腔体积缩小，声调会越来越高直到气泡消失。这个音调变化的过程，被超高速摄影机以及录音机精准地呈现出来。

对于非常小，如微米等级的香槟气泡，只有在一开始破裂产生的声音是人耳可以听到的，之后所释放出的声音由于频率较高，超过人耳可识别的范围；较大的毫米等级的气泡，则是整个破裂过程中的声音都可以被人耳听见。

要知道气泡体积与发出声音频率高低的关系，让我们先来简单了解一下亥姆霍兹共振模型。

亥姆霍兹共振是什么？

亥姆霍兹振动描述了空气在一个腔体中以特定频率震荡的现象（详细过程解释如图一）。该震荡频率被称为系统的“自然频率”，和颈口的尺寸、腔体的大小…等因素有关。

若是外加声音的频率和自然频率相符，震荡幅度会越来越大，也就是就是发生“共振”。若频率不相符，则声音会逐渐减小。

图一、亥姆霍兹共振模型示意图。容器内的气体可简化为两部分：颈口空气柱及腔体内的气体。当有外加声波传入时，（a）颈口空气柱被向瓶内推，瓶内气体体积减小、压力上升，使空气柱被向上推。

（b）向上通过平衡点。（c）腔体内体积扩大，压力小于大气压力，故空气柱被向下压。（d）向下通过平衡点，最后回到（a）的状态。如此，颈口空气柱形成弹簧般的上下震荡，反复运动。

这个模型描述的现象其实在生活周遭时常可见：当我们对着瓶子吹气时，可以听到瓶子发出的呜呜声。

当我们向瓶子中倒水，会发现瓶中的水越多，对瓶口吹气所发出的声音频率越高。因此，从这些现象我们可以观察到，声音的频率和腔体内的空气体积呈相反关系：腔体空间越大，频率愈低。

在用保温瓶装水时，用听的就能够大致判断水是否装满，这也是跟保温瓶内空气体积随着水位上升逐渐缩小，导致发出声音频率改变有关。

神奇海螺？

那这和海螺又有什么关系呢？当我们将海螺靠近耳边时，会听到如同海浪般的独特声响。这种特别的现象有着许多的解释，像是诗意地描述这是海螺在海岸边吸收了日月精华，而产生的独特现象；

抑或是海螺的空腔结构将耳朵附近血液流动声音放大所致；目前较被接受的说法，则是海螺的构造，形成了独特的“亥姆霍兹共振腔”。

在海边拿起海螺可以听到类似海浪的声音，这是因为海螺形成的共振腔将环境里的海浪声音频率“筛选”了出来；即使我们回到室内，将海螺靠近耳朵还是可以听见类似的声音。

这时的声音来源则是环境中存在的“白噪音”。如同各种颜色光均匀混合会形成白光，各个频率具有均匀强度的噪音，我们称为“白”噪音。

在正常情况下，白噪音不会引起人的特别注意，但当我们将海螺靠近耳朵时，共振腔将其中特定的频率留下后，人耳便会觉得听到某种特殊的声响，进而产生听到海浪声的感觉。

实际上不只海螺，当我们将耳朵靠向保温瓶、杯子等等具有空腔的物体，我们也都能听到独特的嗡嗡声响。

从香槟气泡、保温瓶声音一直到海螺所发出的声响，这些在日常生活中所能碰到的声音，都可以用一个简单的物理模型加以描述。气泡破裂发出声音这个我们习以为常的过程，里头的物理其实不止本文所描述的内容，从气泡的形状、破裂时表面薄膜等等的变化，都还藏有许多深刻的物理，还得等着目前的科学家们细细探讨。