漫步海边，捡一只被海浪带到沙滩上的海螺，放在耳边就能听到大海的声音。如果有人送你一只号角似的海螺，就仿佛送给你一片碧蓝的大海，可以随时随地听海风阵阵、海潮澎湃，随时随地都可以哼着“你喜欢海风咸咸的气息，踩着湿湿的沙砾”，去“面朝大海，春暖花开”，想想都是一件超级浪漫的事儿！
那么，海螺是大海的留声机吗？通过海螺随时随地听到的真的是大海的声音吗？
图片来源：中科院声学所
实践是检验真理的唯一标准。
我们把手指并拢，弯曲成半密闭的凹形，或者换一个杯子、小碗等容器，贴近耳朵，静心聆听，也能听到“大海”的声音。这些容器并非来自大海，里边传出来的难道会是大海的声音？当然不是。那么，海螺里听到的声音自然也不是大海的声音了。
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从海螺里听到的，是血液流动的声音吗？
有人说，海螺里听到的声音是血液流动的声音，因为当海螺贴在耳朵上时，会将血液流动的声音放大。
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不妨让我们再来做个小小的实验。在同一声场环境下，让同一个人在正常状态下和剧烈运动之后听海螺，比较听到的这两个声音，并没有明显差异，声音没有因为剧烈运动而变得更尖锐或更响亮，这表明海螺里的声音不是人体血液流动的声音。
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海螺里的声音来自哪里？
那么海螺以及类似的小容器里听到的声音，到底来自哪里？
我们同样可以做一个小实验来进行验证。找到大小不同的几个杯子，分别慢慢靠近耳朵，在杯子口将贴未贴到耳朵的某一位置时，我们能听到类似“大海”的声音。用不同大小的杯子，听到的声音略有不同。
杯子越大，声音越低沉；杯子越小，声音越清亮。我们听到的声音是杯子对环境噪声的过滤，此时杯子可以看作一个声音的过滤器，专业上称为滤波器。
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综上，海螺里的声音不是大海的声音，而是海螺过滤的所在声场环境的噪声。如果是在海边听海螺里的声音，你听到的主要是过滤之后大海的声音。如果是在大海之外的其他声场环境下，海螺里听到的就不是大海的声音。
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03
海螺原来是个直播“达人”
海螺里的大海声，并非来源于它的原生态记忆，而是对当下声环境的现场直播。海螺的直播，依靠了物理学上一个常见的现象——共振。共振指两个振动频率相同的物体，当一个物体发生振动时，引起另一个物体振动。在声学领域，共振被称为“共鸣”，指物体因共振而发声的现象。
海螺、小碗、杯子等是容易引起共振的物理系统，当声音频率和腔体本征频率一致，就会产生共鸣，使声音放大，这时将其放到耳边就能听到“大海”的声音。
当演员的声音频率与玻璃杯的本征频率相同时，玻璃杯就会因共振而破碎。动图来源：《加油向未来》
用于演示共振现象的音叉。图片来源：中科院声学所
德国物理学家、生物学家（Hermann von Helmholtz）1850年设计命名的亥姆霍兹共鸣器，其原理类似于通过海螺来听“大海”的声音。亥姆霍兹共鸣器的设计理念是通过共振原理，分辨噪声或音乐中不同频率或音调的声音。
亥姆霍兹共鸣器的原始形状就是一个有细颈或小口的容器，环境中的声音引起空气扰动，因空气弹性形变导致压力变化，推动容器细颈或小口处的空气柱往复运动，这个不断振荡的过程，就会发出声音。海螺和亥姆霍兹共鸣器都属于口小腔大的结构，其发声原理也相同。某种意义上，海螺算得上是一个自然界的直播“达人”，不仅对环境噪声进行了过滤，也起到了扩音的效果。
亥姆霍兹共鸣器原理图。图片来源：中科院声学所
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从海螺听“海”到古代声学应用
中国古代就有对声音共振原理的应用。
早在战国初期，《墨子·备穴》就记载了用于军事防御的共鸣器：在城墙根下每隔一段距离挖一口深井，埋入一个肚大口小的坛子，坛口用薄皮革蒙紧，然后放入井内，派听觉灵敏的人趴在坛口上听声音，来判断敌方挖隧道的方位，然后进行反击。这种适合守城的装置被称为“瓮听”，也叫“地听”。
关于“设瓮助声”，山西省汾阳市石塔村龙天庙的古戏台是很好的例证，其两侧山墙对称嵌入大中小三种陶瓮，共计14个，陶瓮口口相对，以起到扩音的效果。
山西汾阳石塔村龙天庙古戏台山墙上嵌设的14个陶瓮。图片来源：文献3
古代行军作战时，为方便携带，“地听”的设计趋向于轻巧且实用。唐代李筌在《太白阴经·游奕地听篇》中记录了一种叫做“空胡簏”的空心枕，他写道：“选少睡者，令枕空胡簏卧。有人马行三十里外，东西南北皆有响见于胡簏中，名曰‘地听’。”
北宋沈括《梦溪笔谈·器用》中描述了这种警枕的制作材料和大体形态：“古法以牛革为矢服，卧则以为枕。取其中虚，附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之。盖虚能纳声也。”这种“地听”是用牛皮制作的箭筒，行军休息时置于地上枕之，因其中空，故能“纳声”。
试想，古代的将士们在扎营休息时通过这些神奇的小玩意儿，在几十里外就能听到敌方行军的动静，从而做出相应的对策，古人可真聪明啊！
古代声学知识应用的巧思令人敬佩，科学的种子早在古代就播撒在了人们的心里，科学之花在古旧的历史书上绽放华彩。到了现代，共振现象被广泛应用于社会生活的方方面面，如医用听诊器，钢琴、小提琴、吉他等乐器的共鸣箱，微波炉，建筑用振荡器等。
将一只海螺放在耳边，我们听到的是环境中的噪声，而海螺是环境噪声的过滤器与放大器。
所以，我们从海螺里听到的，不只是大海的声音，而是大自然的声音！
参考文献：
[1] 马大猷.亥姆霍兹共鸣器的发展[J].物理,1993(08):452-456.
[2] 杨阳,高策. “设瓮助声”之争——科学史上的一桩公案[N]. 光明日报,2016-04-06(T14)
[3] 杨阳,高策,丁宏.山西石塔村龙天庙古戏台设置陶瓮的声学技术[J].自然科学史研究,2014,33(01):70-82.
出品｜科普中国
作者｜王丽娜 杨馥锦（中国科学院声学研究所 水下环境信息感知实验室）
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