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鬼怪成真?利用振动声学解释闹鬼现象

2017年 10月 31日

by Brianne Christopher

每逢万圣节,我最喜欢回顾的恐怖小说是史蒂夫·金的《小丑回魂》(It)。很多人误以为故事中的反派只是一个吓人的小丑——其实它是你内心最恐惧的事物的化身。如果你非常怕鬼,这个消息或许能让你安心:一位研究人员利用声学分析对万圣节的灵异事件进行了科学解释:一切都只是大脑错觉和声振效应的共同结果。

假闹鬼现象是什么?

我猜想,“COMSOL 博客”的工程师、物理学家、科学家和研究人员读者大概对超自然现象亦是一知半解。午夜时分窗子发出咔哒作响声,在空荡荡的房屋内听到窃窃私语,这些怪异事件足以让善于理性分析、神智清醒的成年人吓破胆。

一旦疑似吵闹鬼poltergeist,一种造成现实干扰的灵异现象,又称“波尔代热斯现象”)的怪事被科学家揭穿,人们就称它为 false poltergeist。从事相关研究的人员常常引用奥卡姆剃刀(Occam’s razor)定律来解释这类事件。此定律主张,最简单的解释可能最站得住脚。例如 1947 年的罗斯威尔 UFO 事件,最简单的解释是气象气球从空中坠下,被围观人群误认为小身材、灰皮肤的外星人的飞碟。

我站在罗斯威尔市 UFO 展览品前拍摄的照片。
气象气球还是外星人:你认为哪种解释最合乎事实?(2016 年我在美国新墨西哥州罗斯威尔市参观国际 UFO 博物馆与研究中心时拍摄的照片。)

利用声振学解释闹鬼现象

Roman Vinokur 曾经在声与振动 杂志中发表一篇名为“Things that Go Bump in the Night: The Physics of ‘False Poltergeists'”的文章,探讨了常常被误认为鬼和超自然存在的声振现象。让我们化身捉鬼敢死队/声学家,介绍文章中出现的部分案例。

是鬼在作怪,还是产生了亥姆霍兹振动?

如果你在午夜时被低沉的讲话声或呻吟声惊醒,拜托在点燃鼠尾草或召唤灵媒之前,先冷静思考一下亥姆霍兹共振 的可能性。最常见的亥姆霍兹共振器是窄口玻璃瓶。把瓶子抵在嘴唇上,垂直于瓶口方向吹气,瓶子就会发出嗡嗡的声音。

 

一个简单有效的亥姆霍兹共振器(记得放大声音!)

敞开窗户或门的房间也可以充当亥姆霍兹共振器。湍流气流经过房间内的开口时,会引起亥姆霍兹振动。亥姆霍兹振动的固有频率取决于房间容积、墙壁厚度和开口面积。如果频率值在次声波范围内(低于 20 Hz),就会在可听范围内产生诡异的声音,不免让人怀疑闹鬼。

次声波甚至可能引起内脏共振。这就解释了为什么回忆超自然经历的人往往表示产生了恶心、焦虑和最常见的寒冷感觉。

不管声波来自内部或外部噪声源,都能引起亥姆霍兹共振。比如,雷声可以在狭小的空间内回荡,这可是比天气更恶劣的事。声音与振动 一文中提到了一个谣传闹鬼的建筑物。实际上闹鬼只是一个报复手段。公寓的建筑工人被雇佣他们的业主骗取了钱财,为了报复,工人们在屋顶上嵌进了空玻璃瓶。这些玻璃瓶充当了亥姆霍兹共振器,风在夜间穿过瓶口时,住户们就会听到 100 Hz 的怒吼声。

除了产生 怒吼声外,亥姆霍兹共振器也在各种不同的应用中发挥减少 噪声的功能。例如在汽车排气系统,它能使特定的窄频带衰减。当平均流进入常用的排气系统中时,亥姆霍兹共振器就能削弱产生的声音(类似于上文例子中的玻璃瓶,只是效果相反)。

 

动画展示了亥姆霍兹共振器在特定工作条件下的压力分布。汽车设计人员经常利用声学建模与分析来评估气流压力对亥姆霍兹共振器性能的影响。

如果您希望了解在 COMSOL Multiphysics® 软件模拟气动声学应用方面的知识,欢迎阅读我的同事 Mads Jensen 撰写的一篇博客文章

是鬼在吵闹,还是发生了机械共振?

以鬼屋为主题的电影(如果你不确定从哪一部看起,我很乐意推荐!)总有这样的场景:地板嘎吱作响,窗户咔哒扇动,门自己打开又关上,或是同时发生。在电影中,鬼自然是元凶,但在现实生活中,这些运动和噪声的真实原因并没有那么凶险,机械共振才是真正原因。

当振动源的频谱在次声波范围之内时,人耳是听不到的(或者几乎听不到)。但是,振动源引起的运动却很容易听见。基本来说,有时你听到是振动效果,而不是振动原因。鬼故事正是发源于从这种矛盾现象。

疑似闹鬼的屋子中的力学共振示意图。
住在一层和二层的室友对于何物导致咔咔的噪声有着大相径庭的说法。

回到多层建筑的例子。房间内一般有可以移动或者振动的设备,比如真空吸尘器、空调和跑步机。这些尺寸各异的设备尺寸都可能使上下层出现噪声。如果有人听到了振动产生的噪声,但由于距离太远而听不到振动源,便可能怀疑超自然的存在。

是鬼在窃窃私语,还是声音在衰减?

城市的摩天大楼稠密地排布在街道两侧,有时会形成街道峡谷或城市峡谷,进而控制了声音的传播。峡谷效应 使得空气和固体表面的吸音作用变得无效。当声音在峡谷内传播时,声波能量不遵循适用于一般开阔空间的传播距离规律(距离每增加一倍,能量衰减 6 dB,相当于一个球形波前)。在峡谷 内,声压幅值与到噪声源的距离的平方根呈反比。因此,移动距离每增加一倍,能量只衰减 3 dB(圆柱形波前)。如此一来,与开阔环境相比,声音在峡谷内的衰减值更小,故而能传播更远的距离。

我们再说说一些高墙形成峡谷的多层建筑(想象一幢 U 型建筑或合院式建筑的开口的中心)。如果低层的住户在敞开的窗户前谈话,峡谷效应会使声音传播到高层。高层住户听见了近距离谈话声,却看不到说话的人。因此,高墙峡谷造成了鬼在窃窃私语的感知效果。

示意图显示了大楼居民误将峡谷效应造成的声音衰减认成鬼在作怪。
人们站在敞开的窗户前谈话,由于峡谷效应,对话到达上层敞开的窗前时,声音频率比通常情况下更高。

有趣的是,温度倒置也能产生类似于峡谷效应的效果。例如,夜晚的地面温度比上层空气温度下降得更快。由于来自地面的多重反射,声音传播的距离变得更远。你也许在疑惑:这种效果哪里可怕?要是方圆数英里内没有一只猫头鹰或一棵树,你却能听到夜枭鸣叫……

此类声学效应可以利用射线声学和变折射率介质中的传播功能进行研究。它通常属于水声学研究领域。这门学科专门研究声波在水体的温度或盐度梯度造成的水下声道中的传播。

猫头鹰站在房顶。
猫头鹰经常被视为不详的预兆,但是瞧它们多可爱!

最简单的答案,还是最有趣的真相?

让我们回顾一下文章开头的奥卡姆剃刀定律:最简单的解释通常是真相。正如上文所述,种种超自然和灵异现象可以通过声学和振动来解释。或许其中原因其实更简单。

比方说你独自一人在家,却听到了楼上的脚步声。是鬼?是外星人?还是房间布局产生的次声?或许只是室友或者家人临时改变了计划,恰好在你没想到的时候上楼。那么在室外散步时听到轻微的噼啪声呢?大概率不是鬼,有可能 是峡谷效应造成的声音衰减。或者是一只造访邻居家的猫——不过要是一只黑猫,我还是得多加提防。

真相有时不比小说离奇

COMSOL 公司总部位于美国马萨诸塞州波士顿的北部。本州东南境内有一片区域,超自然现象爱好者称之为布里奇沃特三角地带(Bridgewater Triangle,该名称取自该区域的中心——布里奇沃特市和百慕大三角)。这片区域常有报道声称,有人亲眼看见鬼、UFO 或是其他离奇的超自然行为,比如生活在丛林中、以捉弄旅行者为乐的地精(pukwudgies)。

过去我根本不敢想象去布里奇沃特三角地带探险,总担心会遭遇鬼。明白了声振效应与灵异响声的因果关系后,我已经放下心,准备大胆地开启探索之旅。

拓展阅读……如果你胆子够大的话

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