為什么熱水瓶膽放在耳邊會嗡嗡響？

2024-10-15

我們小時候和父母一起去商場挑熱水瓶都有這樣的經驗，向暖瓶內膽中吹口氣，將內膽放到耳邊，如果有很明顯的嗡嗡聲，說明這個膽的保溫性很好。這個方法很實用，但你想過這是為什么呢？這背后蘊藏著什么科學道理？

聲波的產生及共振現象

要想回答這個問題，我們得先了解聲波是如何產生的？以及什么是共振現象？聲波是一種機械波，是由物體振動產生的。聲音通過介質（如空氣、水或固體）傳播，當聲源振動時，會在介質中形成壓縮和稀疏的區域，從而產生聲波。聲波的頻率決定了我們聽到的音調，而聲波的振幅則決定了聲音的響度。

音叉共振

而共振現象是指當一個物體受到與其固有頻率相同或接近的外界振動時，會產生大幅度振動的現象。共振現象在日常生活中十分常見，例如，當我們撥動吉他的某一根弦時，不僅該弦會振動，其他與該弦調諧的弦也會產生共振，從而發出聲音。同樣，熱水瓶膽的嗡嗡聲也是共振現象的結果。

熱水瓶膽嗡嗡聲的成因

我們知道，熱水瓶的基本結構包括外殼、瓶膽和瓶蓋。瓶膽是熱水瓶的核心部分，通常由雙層玻璃制成，中間是真空層。這種設計能夠有效阻隔熱傳導和熱對流，從而保持瓶內液體的溫度。瓶膽的雙層結構不僅能保溫，還能隔絕外界的噪音。

熱水瓶的基本結構

首先，我們來探討一下，當你朝熱水瓶內吹氣并將其貼近耳邊時，為何會聽到持續的嗡嗡聲？這是因為當我們吹氣時，瓶內的空氣會產生振動，這種振動在暖瓶的特定空間條件下會形成具有特定頻率的駐波，而這種駐波正是聲音的來源。實際上，任何含有“空氣柱”的容器都可能通過這種方式發聲，許多管樂器就是基于這一原理來發聲的。

那么，為什么保溫性能好的內膽會發出更響亮、更持久的聲音呢？這就需要我們比較保溫性能好的暖瓶與保溫性能差的暖瓶之間的差異了。暖瓶的保溫效果主要依賴于隔絕熱傳導：內膽由內外兩層構成，這兩層之間盡可能地形成真空狀態。真空度越高，保溫效果越好。這樣，“聲音響亮且持久”的現象就很容易理解了，因為內外兩層之間的真空不僅阻斷了熱傳導，還大幅減少了“空氣柱”中駐波的能量耗散，能量耗散較小的駐波自然會發出更響亮、更持久的聲音。

現在，讓我們回到最初的問題：為什么即使在沒有吹氣的情況下，保溫性能好的暖瓶放在耳邊也能聽到嗡嗡聲？這實際上是因為暖瓶內的空氣柱對周圍空氣中的“白噪聲”進行了選擇。我們周圍的空氣實際上一直在振動并產生聲音，但這種振動是沒有固定頻率的，是一種不攜帶信息的“白噪聲”。暖瓶中的空氣柱對這種白噪聲具有一種濾波作用，能夠選擇出與“空氣柱”固有頻率相匹配的聲音，根據前面的介紹我們知道，當物體受到與其固有頻率相同或接近的外界振動時會產生共振現象，因此我們聽到的嗡嗡聲正是共振產生的效果。在這里，白噪聲扮演了類似于“吹氣”的角色。然而，由于“空氣柱”選擇出的聲音非常微弱，只有那些能量耗散更慢、保溫性能更好的暖瓶，我們才能夠聽到這種微弱的聲音。

生活中的其他共振現象

小時候去海邊旅行，相信很多小伙伴都聽過爸爸媽媽說的：把海螺放在耳邊就能聽見大海的聲音。那么，為什么海邊的貝殼里會傳出海洋的聲音呢？這些聲音又來自哪里？

其實這個現象叫“貝殼共振”，它的原理和熱水瓶發出嗡嗡聲的原理其實是一樣的。用一句話簡單概括說就是——耳朵周圍的噪音被貝殼放大了。我們平時都是處在被各種雜音包圍的環境之中：四周的風聲、電子設備的嗡鳴聲、來往的汽車聲等等，周圍的所有這些聲音加起來形成了有著固定頻率的雜音——白噪音。

由于白噪音無處不在，我們的大腦會將之自動過濾，人耳也會自動適應，因此其中大部分的雜音我們是聽不到的。當來自貝殼以外的振動或聲音的頻率與貝殼內腔固有的頻率相同時，就會產生共振現象將聲音放大。當我們把貝殼罩住耳朵后會形成一個共振腔，根據貝殼形狀大小不同會放大某些特定頻率的聲音，貝殼把耳朵周圍的聲波收集過來，在貝殼里面產生共鳴，這樣我們就能聽到環繞在我們周圍的雜音，或說是放大了周圍的雜音。由于貝殼內的空氣振動起伏不定，所以這種共鳴聲音和海浪聲相似，人們便產生了美好的錯覺，以為那是大海的聲音。其實，貝殼里的海洋之聲與大海毫無關系。