物理聲音

[趣味物理]2倍音速的無人機在研制中

時間：2006年06月29日07:55我來說兩句

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【來源：新華網】

世間凡是能飛的東西，不論是人造的還是天然的，都具備對稱性，否則就難以保持

飛行平衡。但是，美軍現在就是要造一種不對稱的斜翼飛行器，而且，這種飛機飛得更快、

更遠，油耗更低。

一旦成功，這種新式飛機將在未來20年內成為美軍隱形轟炸機的主打機型，并將改寫

飛行歷史。

數年來，美國軍方都在尋求一種飛機——它能夠在敵方領空外徘徊十幾小時，靜靜

地等待命令。一旦接到指令，就立即以超音速直撲目標、瞄準目標、摧毀目標。但是，問題

在于，凡是能夠進行長時間亞音速飛行的飛機，都無法勝任超音速飛行，反之亦然。

代號“彈簧小折刀”

為了解決這個長期存在的空氣動力學問題，美國國防部高級研究計劃署(DARPA)

近日授予諾斯羅普·格魯曼公司斜翼飛行器研發項目。第一階段合同為期20個月，撥款1030

萬美元，要求諾斯羅普·格魯曼公司進行飛行器的初始設計，解決可控性問題。

這種飛行器被命名為“彈簧小折刀”(Switchblade)，一種可改變翼掃(機翼相對機身

的角度)的無人機，既有很高的低速飛行效率，能執行盤旋監視任務，又能執行超音速打擊

任務。

既是偵察機又是轟炸機

美國國防部高級研究計劃署要求諾斯羅普·格魯曼公司在2007年11月之前繪制出

詳細設計圖，實驗機則在2010年推出。初步概念是在單翼下面安裝引擎、轉軸以及監視設

備。這樣的設計使得發動機朝向飛行方向的同時，單翼可以旋轉。

美國國防部高級研究計劃署明確指出，概念性斜翼作戰飛機有兩大任務：一是情報、

監視與偵察任務，要求該機能攜帶2000千克有效載荷，在18000米高空以亞音速飛行5000

海里；二是轟炸任務，要求該機能攜帶7500千克有效載荷，飛行5000海里。該機的最大速

度為2馬赫。

巡航時亞音速轟炸時超音速

在巡航狀態下，“彈簧小折刀”展開61米長的單翼(不像普通飛機那樣是雙翼，而

是把雙翼從中間接合在一起，組成一塊翼)，像一架普通飛機那樣飛行；但是，當它要突破

音障前，它的單翼將旋轉60度，形成一個翼尖前掠、一個翼尖后掠的狀態。這樣的構造重

新分配了飛機前部積累的沖擊波，有效降低了超音速狀態下的波阻力，飛機就進入超音速飛

行狀態。當“彈簧小折刀”要恢復亞音速飛行時，單翼就再次旋轉，使之恢復和發動機垂直

的狀態。

2010年進行首飛

美國國防部高級研究計劃署稱，假如一切進行順利，1/5比例的“彈簧小折刀”示

范模型將于2010年進行首飛，該試驗機翼展約為12米，全比例飛行器預計于2020年投入

使用。

對于“彈簧小折刀”這種無尾翼變掠角飛機，可控性是主要問題。諾斯羅普·格魯

曼公司必須演示該機在改變飛行模式從而大大改變空氣動力特性的時候能夠保持穩定性。

“彈簧小折刀”試驗機將最終驗證斜翼飛機計劃是否可行，這個問題自20世紀40

年代以來就存在爭議。如果這架超音速試驗機的飛行試驗取得成功，斜翼飛機可能成為美空

軍計劃2025年后裝備的、具有高速和長航時飛行能力的下一代隱形轟炸機的候選機型。

歷史鏡像

斜翼飛機真能高速飛行嗎？

上個世紀40年代，科學家們認為，不對稱翼飛機，或稱斜翼飛機，是超音速飛行

器的最佳形態。但60年過去了，還沒人能造出一架超音速斜翼飛行器。

美國航空航天局(NASA)從20世紀70年代開始進行“斜翼研究飛機”(OWRA)和

“艾姆斯·代頓-1”(AD-1)飛機計劃，探索了斜翼布局技術，其中后者是由伯特·魯坦飛機

工廠設計的。1979年，“宇宙飛船一號”的創建人伯特·魯頓曾為NASA設計了一款可變翼

飛機，但是那架飛機的斜翼使它很難飛行——當飛行員拉起飛機頭部的時候，飛機就開始滾

向一邊。

現在，五角大樓又開始關注斜翼飛機這一構想，NASA就站出來潑冷水，稱斜翼飛

行器是難以高速飛行的。

[趣味物理]擺與音樂的和諧-共振效應

現在人們公認伽利略發現了擺的等時性原理，那是他在比薩的教堂中觀察吊燈擺動現象時

引發的結論。按照等時性原理，如果擺的振幅較小，那么擺動的周期同擺動的振幅無關。盡

管在伽利略之前的好幾個世紀中，等時性早已為阿拉伯人所熟知，但以嚴謹的科學態度去研

究這一現象的科學家還是首推伽利略。他指出擺的周期并不取決于擺線上懸掛物的多少，而

只取決于擺線長度的平方根。如果不考慮阻力的影響，懸掛在等長線上的一個軟木球或一個

鉛球的擺動規律是相同的。如果誰想驗證一下擺動的規律，只需找一個適當的支架、一根線

和一個釣魚的鉛墜，并將它們如圖1所示連接起來就行了。

頻率增高：拉動擺線活動的一頭，縮短擺長，擺的頻率即隨之增高。

輕輕推動擺錘，讓其以較小的振幅擺動，然后拉動這根擺線活動的一頭，使

擺的長度縮短，你就會發現擺動的頻率會越來越快。如果擺的長度減小到原來的

1／2，擺動的周期就減小1／2倍。當然，如果要想取得準確數據，你就需要對

擺動時間進行幾十次測量。實驗者將會看到，不管是在線上懸掛一個、兩個或更

多個鉛墜，只要線的長度不變，擺的周期就不會發生任何變化。

共振效應

擺最重要的特性是它只愿以一種頻率，即通常所稱的固有頻率擺動。當受

到外界的干擾而被激勵時，它相應的擺動規律則依賴于干擾振頻是否和它所希望

的一致。這就是人們常說的共振效應。只要當外界的激勵和擺的固有頻率一致時，

才可能將盡可能多的機械能傳給擺，道理就在于此。我們可以用一個簡單的實驗

觀察共振現象。取一個支架，按圖2所示拉一根繩子，在繩子上栓一定數量的擺，

其中除了兩個擺的長度相等外，其余的均長短不等。繩子的作用是將各個擺“結

合”在一起，或者說使其中任何一個擺的擺動能傳遞到其他擺上去，實際上就是

進行干擾和激勵。這根繩子能使能量從一個擺傳到另一個擺上。

不同擺長的擺：共振現象：使第一個擺擺動起來與它有相同振頻的擺也被激勵擺動起來。

[趣味物理]聲波與無線電波傳遞聲音

時間：2006年05月11日07:18我來說兩句(0)

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聲音的傳播速度大約只有光速的百萬分之一。無線電波的速度和光波的傳播速度相

同，所以聲音的傳播速度也只有無線電訊號的百萬分之一。因為這個緣故就產生了一種有趣

的后果，這種后果的實質可以用下面的問題來說明：是誰先聽到鋼琴的聲音，是那坐在音樂

廳里離鋼琴10米遠的聽眾，還是那離大廳100公里用無線電收聽這音樂的聽眾？

說也奇怪，雖然無線電聽眾比音樂廳里的聽眾離鋼琴的距離要大10000倍，可是先

聽到琴音的還是那無線電聽眾，因為無線電波傳過100公里的距離所需要的時間是100／

300000=1／3000秒而聲音傳過10米距離所需要的時間是10／340=1／34秒

由此可見，無線電傳播聲音所需要的時間，大約只有空氣傳播聲音所需要的時間的

1／100

[趣味物理]火車上的汽笛聲問題

如果你的聽覺器官很能辨別樂音，那末迎面開來的火車在你旁邊經過的時候，你一定會注意

到火車頭上的汽笛聲的音調有什么樣的改變（這里是說音調，或聲音的高低，不是說響度）。

在兩列火車接近的時候你聽到的汽笛的音調，一定比兩列火車相背離去越開越遠的時候的音

調高得多。

如果火車駛得很快（50公里每小

時），那末音調高低上的區別，

幾乎可以達到一個全音程。

這到底是什么原因呢？

如果你記得音調的高低同振動的次數有關，你就不難猜想到這原因了；你可以把這問題

拿來同你研究上節問題的時候所得到的結果比較一下。迎面駛來的火車上的汽笛，自始至終

發著一定振動次數的聲音。可是你的耳朵卻會覺察出不同的振動次數，這是看你是迎著火車

走的，還是站著不動的，或是背著聲源走的。

你坐火車上甲地的時候，每天讀到甲地報紙的次數既然比平時多，那末同樣的道理，在

你向著聲源走近的時候，你每秒鐘聽到的振動次數，也比它們從火車頭的汽笛里發出來的振

動次數多。不過在這里你已經不必再思考了：你的耳朵已經能聽出它的振動次數是增多了

──你直接聽到了提高了的音調。在你背著火車走的時候，你的耳朵聽到的振動次數是減少

了──你聽到的是降低了的音調。

如果這個解釋還不能使你完全信服，那就請你直接研究一下（當然是通過思考），從火

車汽笛里發出來的聲波是怎樣傳播的。首先研究一下火車不動時候的情況（圖299）。汽笛

發聲的時候會使空氣產生波動，為了簡單起見，讓我們假定只看到4個波（圖里上面那條波

狀線）：波從不動的汽笛里出來以后，它在任何時間間隔里，向一切方向傳播的距離都是相

同的。0號波來到觀察人力的時間，和來到觀察人B的時間是相同的。跟著同時來到兩個觀

察人的耳朵里的是1號波、2號波、3號波等等。兩個觀察人的耳朵每秒鐘可以得到同樣數

目的振動，因此兩人聽到的音調也是相同的。

如果鳴著汽笛的火車是從B駛向A的（圖里下面那條波狀線），那就是另一回事了。設

想在某一瞬間，汽笛是在C′點，而在它發完了4個波的時候，它已經來到了D點。

現在你可以比較一下，這時候聲波是怎樣傳播的。從C′點發出的0號波，到達A′

和B′兩個觀察人的時間是相同的。可是在D點發出的4號波，到達兩個觀察人的時間就不

相同：路線DA′比路線DB′短，因此這個波來到A′點的時間比它來到B′點的時間要早。

中間的那些波（3號波、2號波、l號波）也要先到A′后到B′，不過相差的時間比較短些。

結果怎么樣呢？在同一時間里A′點的觀察人收到的聲波次數一定比B′點的觀察人收到的

多，于是A′點的觀察人聽到的音調也比B′點的觀察人聽到的高。同時，從圖里還可以看

出，走向A′點的波，它的長度也相應地比走向B′點的波要短些。

[趣味物理]“側耳傾聽”蟋蟀在哪里叫

一個發出聲音的物體在哪里，我們時常容易弄錯的，不是它的距離，而是它的方向。

我們的耳朵能夠很好地辨別槍聲是從左邊發出的還是從右邊發出的（圖145）。但是假

如這聲源是在我們的正前方或者正后方，我們的耳朵就時常沒有能力辨明聲源的位置（圖

146）：正前方放出的槍聲，聽起來時常像是在后面發出的一樣。

對這種情形，我們只能夠根據聲音的強度辨別槍聲的遠近。

下面是能夠使我們學到許多東西的一個實驗。叫隨便哪一位蒙住眼睛坐在房間中央，請

他安靜地坐著不動，也不要把頭轉動。然后，你拿兩枚硬幣敲響起來，你所站的位置要總是

在他的正前方或者正后方。現在請他說出敲響硬幣的地方。他的答案會奇怪得簡直叫你不相

信：聲音發生在房間的這一角，他卻會指著完全相反的一角！

假如你不是站在他的正前方或者正后方，那么錯誤就不會這么嚴重。

這是很容易了解的：現在他離得

比較近的那只耳朵已經可以比較

先聽到這個聲音，而且聽到的聲

音也比較大，因此他能夠判定聲音是從哪里發出的。

這個實驗同時說明了為什么在草叢里很難找到蟋蟀的原因。蟋蟀的響亮聲音從離你兩步

遠的右邊草叢里發出。你往那邊看去，但是，什么也沒有看到，而聲音卻已經變成從左邊傳

來了。你把頭轉到那邊去──但是聲音又從第三個地點傳來了。你的頭向聲音的方向轉得越

快，那位看不到的音樂家好像也跳得越機敏。事實上，這只蟋蟀卻始終是在同一個地方；它

的捉摸不到的“跳躍”，不過是你想象的結果，是聽覺欺騙的結果罷了。你的錯誤就在于當

你扭轉頭部的時候，恰好使蟋蟀的位置在你頭部的正前方或者正后方。這樣，我們就能知道

為什么很容易弄錯聲音方向的原因：蟋蟀原來是在你的正前方，你卻錯誤地認為它是在相反

的方向上。

從這里可以得到一個實際的結論：假如你想知道蟋蟀的聲音、杜鵑的歌聲以及這

一類遠地方傳來的聲音從什么地方發出的，千萬不要把面孔正對聲音，而要相反地，把面孔

側對聲音，讓一個耳朵正對聲音，即我們平常所說的“側耳傾聽”。

[趣味物理]樂音和音階

我們生活的世界充滿了各種聲音．優美動聽的音樂可以陶冶情操，給人以美

的享受，而電鋸鋸木的聲音、小刀刮玻璃的聲音使人感到刺耳難聽．可見，聲音

可以分為兩種：前一種悅耳動聽的聲音叫做樂音，后一種令人厭煩的聲音叫做噪

聲．那么，從物理學的角度看一看，樂音和噪聲的差別是什么呢？

把話筒接在示波器的輸入端，再把發聲體放在話筒前，在示波器的熒光屏上

可以顯示出發聲體的振動圖象（圖1）．

先用兩種樂器在話筒前演奏，觀察它們發聲時的振動圖象；再用小刀在話筒

前刮玻璃，觀察這種聲音的振動圖象（圖2）．

從示波器上可以看出，樂音的振動雖然不一定按正弦規律變化，但仍是有規

則的，振動的周期是一定的；而噪音的振動沒有規則，沒有確定的周期．

既然樂音具有確定的周期和頻率，一種樂音的音調就是確定的．在音樂理論

中，把一組音按音調高低的次序排列起來就成為音階，也就是大家都知道的dou，

ruai，mi，fa，sou，la,xi，dou（簡譜記做

“l”,“2”,“3”,“4”,“5”,“6”,“7”，“1”）．下表列出了C調音

階和D調音階中各音的頻率．

唱名douruaimifasoulatidou

該唱名的頻

率與dou的

頻率之比

1∶19∶85∶44∶33∶25∶315∶82∶1

f/Hz(C調)264297335528

f/Hz(D調)2973343757594

有趣的是，高音dou的頻率正好是中音dou頻率的2倍，而且音階中各音的

頻率跟dou的頻率之比都是整數之比．

還有更有趣的事情．喜歡音樂的同學都知道，有些音一起演奏時聽起來好聽，

有些音一起演奏時聽起來不好聽；前者叫做諧和音，后者叫做不諧和音．著名的

大三和弦dou、mi、sou的頻率比是4：5：6；而小三和弦ruai、fa、la的頻率

比是10：12：15：大三和弦聽起來更為諧和，那是因為三個音的頻率比是更小

的整數之比．隨便拼湊在一起的三個音聽起來不和諧，有興趣的同學可以算一算

它們的頻率比，一定是三個大得驚人的整數．

從這個例子可以看到藝術后面的科學道理，但是，藝術遠比1＋l＝2復雜．從

上表中看出，頻率增加一倍，音程高出8度．實際上這只對于中等音高是正確

的．人的感覺十分復雜，對于高音段來說，頻率要增加一倍多，聽起來音高才高

出一個8度．如果一個書呆子調琴師按照“頻率翻倍”的辦法調鋼琴，那就要砸

飯碗了．

盡管如此，科學家們還是可以通過音樂家的實際測聽，確定音高和頻率

的對應關系，并且據此設計出優美動聽的電子樂器．

絕妙的回音壁

北京天壇公園每天都吸引著成百上千的中外游客，公園中央的回音壁更是舉世聞名的古建筑，

它是我國古代勞動人民智慧的結晶。

天壇回音壁，是用堅硬的方塊磚砌成的，墻壁高達6米，圍墻是半徑

為32.5米圓周，而在地面圓周的中心放著一塊石頭，名叫三音石。回音壁奇就奇在兩個相距很遠，

面對墻壁的人可以切切私語！這看來是不可能的事。例如甲乙兩人想距60米分別站在墻壁前，通

常只有其中的一個人大聲說話時，別一邊的人才可能聽到，何況是對著墻壁說話，另一個人就更難聽

到了。可事實并不是這樣的，說話的人只要按正常的說話聲音說話，另一個人就可以清晰聽到他的

說話聲了，這是什么緣故呢？

原來原因就出在這垛特殊的墻壁上，回音壁的墻壁與通常墻壁不同，它對聲音的吸收很小，大

部分聲音被它反射。如下圖所示，甲對墻壁說話時，聲音就從甲處傳到A處，A處反射后又到B處，

再經C、D兩處反射，就到了乙處，這時站在乙處的人就可以聽到甲說話的“回聲”了。

三音石是回音壁中的又一特色。當你站在三音石上拍一下手掌，你會

聽到很多次拍掌的回音。一般要聽到回音，必須距離障礙物至少11.3米才能聽到，回音壁經多次

反射后，就把原來一次拍掌聲音變成為很多個拍掌聲了。如果您有機會來北京，千萬別忘了到天壇

公園去欣賞一下回音壁。

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