物理声音

[趣味物理]2倍音速的无人机在研制中

时间：2006年06月29日07:55我来说两句

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【来源：新华网】

世间凡是能飞的东西，不论是人造的还是天然的，都具备对称性，否则就难以保持

飞行平衡。但是，美军现在就是要造一种不对称的斜翼飞行器，而且，这种飞机飞得更快、

更远，油耗更低。

一旦成功，这种新式飞机将在未来20年内成为美军隐形轰炸机的主打机型，并将改写

飞行历史。

数年来，美国军方都在寻求一种飞机——它能够在敌方领空外徘徊十几小时，静静

地等待命令。一旦接到指令，就立即以超音速直扑目标、瞄准目标、摧毁目标。但是，问题

在于，凡是能够进行长时间亚音速飞行的飞机，都无法胜任超音速飞行，反之亦然。

代号“弹簧小折刀”

为了解决这个长期存在的空气动力学问题，美国国防部高级研究计划署(DARPA)

近日授予诺斯罗普·格鲁曼公司斜翼飞行器研发项目。第一阶段合同为期20个月，拨款1030

万美元，要求诺斯罗普·格鲁曼公司进行飞行器的初始设计，解决可控性问题。

这种飞行器被命名为“弹簧小折刀”(Switchblade)，一种可改变翼扫(机翼相对机身

的角度)的无人机，既有很高的低速飞行效率，能执行盘旋监视任务，又能执行超音速打击

任务。

既是侦察机又是轰炸机

美国国防部高级研究计划署要求诺斯罗普·格鲁曼公司在2007年11月之前绘制出

详细设计图，实验机则在2010年推出。初步概念是在单翼下面安装引擎、转轴以及监视设

备。这样的设计使得发动机朝向飞行方向的同时，单翼可以旋转。

美国国防部高级研究计划署明确指出，概念性斜翼作战飞机有两大任务：一是情报、

监视与侦察任务，要求该机能携带2000千克有效载荷，在18000米高空以亚音速飞行5000

海里；二是轰炸任务，要求该机能携带7500千克有效载荷，飞行5000海里。该机的最大速

度为2马赫。

巡航时亚音速轰炸时超音速

在巡航状态下，“弹簧小折刀”展开61米长的单翼(不像普通飞机那样是双翼，而

是把双翼从中间接合在一起，组成一块翼)，像一架普通飞机那样飞行；但是，当它要突破

音障前，它的单翼将旋转60度，形成一个翼尖前掠、一个翼尖后掠的状态。这样的构造重

新分配了飞机前部积累的冲击波，有效降低了超音速状态下的波阻力，飞机就进入超音速飞

行状态。当“弹簧小折刀”要恢复亚音速飞行时，单翼就再次旋转，使之恢复和发动机垂直

的状态。

2010年进行首飞

美国国防部高级研究计划署称，假如一切进行顺利，1/5比例的“弹簧小折刀”示

范模型将于2010年进行首飞，该试验机翼展约为12米，全比例飞行器预计于2020年投入

使用。

对于“弹簧小折刀”这种无尾翼变掠角飞机，可控性是主要问题。诺斯罗普·格鲁

曼公司必须演示该机在改变飞行模式从而大大改变空气动力特性的时候能够保持稳定性。

“弹簧小折刀”试验机将最终验证斜翼飞机计划是否可行，这个问题自20世纪40

年代以来就存在争议。如果这架超音速试验机的飞行试验取得成功，斜翼飞机可能成为美空

军计划2025年后装备的、具有高速和长航时飞行能力的下一代隐形轰炸机的候选机型。

历史镜像

斜翼飞机真能高速飞行吗？

上个世纪40年代，科学家们认为，不对称翼飞机，或称斜翼飞机，是超音速飞行

器的最佳形态。但60年过去了，还没人能造出一架超音速斜翼飞行器。

美国航空航天局(NASA)从20世纪70年代开始进行“斜翼研究飞机”(OWRA)和

“艾姆斯·代顿-1”(AD-1)飞机计划，探索了斜翼布局技术，其中后者是由伯特·鲁坦飞机

工厂设计的。1979年，“宇宙飞船一号”的创建人伯特·鲁顿曾为NASA设计了一款可变翼

飞机，但是那架飞机的斜翼使它很难飞行——当飞行员拉起飞机头部的时候，飞机就开始滚

向一边。

现在，五角大楼又开始关注斜翼飞机这一构想，NASA就站出来泼冷水，称斜翼飞

行器是难以高速飞行的。

[趣味物理]摆与音乐的和谐-共振效应

现在人们公认伽利略发现了摆的等时性原理，那是他在比萨的教堂中观察吊灯摆动现象时

引发的结论。按照等时性原理，如果摆的振幅较小，那么摆动的周期同摆动的振幅无关。尽

管在伽利略之前的好几个世纪中，等时性早已为阿拉伯人所熟知，但以严谨的科学态度去研

究这一现象的科学家还是首推伽利略。他指出摆的周期并不取决于摆线上悬挂物的多少，而

只取决于摆线长度的平方根。如果不考虑阻力的影响，悬挂在等长线上的一个软木球或一个

铅球的摆动规律是相同的。如果谁想验证一下摆动的规律，只需找一个适当的支架、一根线

和一个钓鱼的铅坠，并将它们如图1所示连接起来就行了。

频率增高：拉动摆线活动的一头，缩短摆长，摆的频率即随之增高。

轻轻推动摆锤，让其以较小的振幅摆动，然后拉动这根摆线活动的一头，使

摆的长度缩短，你就会发现摆动的频率会越来越快。如果摆的长度减小到原来的

1／2，摆动的周期就减小1／2倍。当然，如果要想取得准确数据，你就需要对

摆动时间进行几十次测量。实验者将会看到，不管是在线上悬挂一个、两个或更

多个铅坠，只要线的长度不变，摆的周期就不会发生任何变化。

共振效应

摆最重要的特性是它只愿以一种频率，即通常所称的固有频率摆动。当受

到外界的干扰而被激励时，它相应的摆动规律则依赖于干扰振频是否和它所希望

的一致。这就是人们常说的共振效应。只要当外界的激励和摆的固有频率一致时，

才可能将尽可能多的机械能传给摆，道理就在于此。我们可以用一个简单的实验

观察共振现象。取一个支架，按图2所示拉一根绳子，在绳子上栓一定数量的摆，

其中除了两个摆的长度相等外，其余的均长短不等。绳子的作用是将各个摆“结

合”在一起，或者说使其中任何一个摆的摆动能传递到其他摆上去，实际上就是

进行干扰和激励。这根绳子能使能量从一个摆传到另一个摆上。

不同摆长的摆：共振现象：使第一个摆摆动起来与它有相同振频的摆也被激励摆动起来。

[趣味物理]声波与无线电波传递声音

时间：2006年05月11日07:18我来说两句(0)

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声音的传播速度大约只有光速的百万分之一。无线电波的速度和光波的传播速度相

同，所以声音的传播速度也只有无线电讯号的百万分之一。因为这个缘故就产生了一种有趣

的后果，这种后果的实质可以用下面的问题来说明：是谁先听到钢琴的声音，是那坐在音乐

厅里离钢琴10米远的听众，还是那离大厅100公里用无线电收听这音乐的听众？

说也奇怪，虽然无线电听众比音乐厅里的听众离钢琴的距离要大10000倍，可是先

听到琴音的还是那无线电听众，因为无线电波传过100公里的距离所需要的时间是100／

300000=1／3000秒而声音传过10米距离所需要的时间是10／340=1／34秒

由此可见，无线电传播声音所需要的时间，大约只有空气传播声音所需要的时间的

1／100

[趣味物理]火车上的汽笛声问题

如果你的听觉器官很能辨别乐音，那末迎面开来的火车在你旁边经过的时候，你一定会注意

到火车头上的汽笛声的音调有什么样的改变（这里是说音调，或声音的高低，不是说响度）。

在两列火车接近的时候你听到的汽笛的音调，一定比两列火车相背离去越开越远的时候的音

调高得多。

如果火车驶得很快（50公里每小

时），那末音调高低上的区别，

几乎可以达到一个全音程。

这到底是什么原因呢？

如果你记得音调的高低同振动的次数有关，你就不难猜想到这原因了；你可以把这问题

拿来同你研究上节问题的时候所得到的结果比较一下。迎面驶来的火车上的汽笛，自始至终

发着一定振动次数的声音。可是你的耳朵却会觉察出不同的振动次数，这是看你是迎着火车

走的，还是站着不动的，或是背着声源走的。

你坐火车上甲地的时候，每天读到甲地报纸的次数既然比平时多，那末同样的道理，在

你向着声源走近的时候，你每秒钟听到的振动次数，也比它们从火车头的汽笛里发出来的振

动次数多。不过在这里你已经不必再思考了：你的耳朵已经能听出它的振动次数是增多了

──你直接听到了提高了的音调。在你背着火车走的时候，你的耳朵听到的振动次数是减少

了──你听到的是降低了的音调。

如果这个解释还不能使你完全信服，那就请你直接研究一下（当然是通过思考），从火

车汽笛里发出来的声波是怎样传播的。首先研究一下火车不动时候的情况（图299）。汽笛

发声的时候会使空气产生波动，为了简单起见，让我们假定只看到4个波（图里上面那条波

状线）：波从不动的汽笛里出来以后，它在任何时间间隔里，向一切方向传播的距离都是相

同的。0号波来到观察人力的时间，和来到观察人B的时间是相同的。跟着同时来到两个观

察人的耳朵里的是1号波、2号波、3号波等等。两个观察人的耳朵每秒钟可以得到同样数

目的振动，因此两人听到的音调也是相同的。

如果鸣着汽笛的火车是从B驶向A的（图里下面那条波状线），那就是另一回事了。设

想在某一瞬间，汽笛是在C′点，而在它发完了4个波的时候，它已经来到了D点。

现在你可以比较一下，这时候声波是怎样传播的。从C′点发出的0号波，到达A′

和B′两个观察人的时间是相同的。可是在D点发出的4号波，到达两个观察人的时间就不

相同：路线DA′比路线DB′短，因此这个波来到A′点的时间比它来到B′点的时间要早。

中间的那些波（3号波、2号波、l号波）也要先到A′后到B′，不过相差的时间比较短些。

结果怎么样呢？在同一时间里A′点的观察人收到的声波次数一定比B′点的观察人收到的

多，于是A′点的观察人听到的音调也比B′点的观察人听到的高。同时，从图里还可以看

出，走向A′点的波，它的长度也相应地比走向B′点的波要短些。

[趣味物理]“侧耳倾听”蟋蟀在哪里叫

一个发出声音的物体在哪里，我们时常容易弄错的，不是它的距离，而是它的方向。

我们的耳朵能够很好地辨别枪声是从左边发出的还是从右边发出的（图145）。但是假

如这声源是在我们的正前方或者正后方，我们的耳朵就时常没有能力辨明声源的位置（图

146）：正前方放出的枪声，听起来时常像是在后面发出的一样。

对这种情形，我们只能够根据声音的强度辨别枪声的远近。

下面是能够使我们学到许多东西的一个实验。叫随便哪一位蒙住眼睛坐在房间中央，请

他安静地坐着不动，也不要把头转动。然后，你拿两枚硬币敲响起来，你所站的位置要总是

在他的正前方或者正后方。现在请他说出敲响硬币的地方。他的答案会奇怪得简直叫你不相

信：声音发生在房间的这一角，他却会指着完全相反的一角！

假如你不是站在他的正前方或者正后方，那么错误就不会这么严重。

这是很容易了解的：现在他离得

比较近的那只耳朵已经可以比较

先听到这个声音，而且听到的声

音也比较大，因此他能够判定声音是从哪里发出的。

这个实验同时说明了为什么在草丛里很难找到蟋蟀的原因。蟋蟀的响亮声音从离你两步

远的右边草丛里发出。你往那边看去，但是，什么也没有看到，而声音却已经变成从左边传

来了。你把头转到那边去──但是声音又从第三个地点传来了。你的头向声音的方向转得越

快，那位看不到的音乐家好像也跳得越机敏。事实上，这只蟋蟀却始终是在同一个地方；它

的捉摸不到的“跳跃”，不过是你想象的结果，是听觉欺骗的结果罢了。你的错误就在于当

你扭转头部的时候，恰好使蟋蟀的位置在你头部的正前方或者正后方。这样，我们就能知道

为什么很容易弄错声音方向的原因：蟋蟀原来是在你的正前方，你却错误地认为它是在相反

的方向上。

从这里可以得到一个实际的结论：假如你想知道蟋蟀的声音、杜鹃的歌声以及这

一类远地方传来的声音从什么地方发出的，千万不要把面孔正对声音，而要相反地，把面孔

侧对声音，让一个耳朵正对声音，即我们平常所说的“侧耳倾听”。

[趣味物理]乐音和音阶

我们生活的世界充满了各种声音．优美动听的音乐可以陶冶情操，给人以美

的享受，而电锯锯木的声音、小刀刮玻璃的声音使人感到刺耳难听．可见，声音

可以分为两种：前一种悦耳动听的声音叫做乐音，后一种令人厌烦的声音叫做噪

声．那么，从物理学的角度看一看，乐音和噪声的差别是什么呢？

把话筒接在示波器的输入端，再把发声体放在话筒前，在示波器的荧光屏上

可以显示出发声体的振动图象（图1）．

先用两种乐器在话筒前演奏，观察它们发声时的振动图象；再用小刀在话筒

前刮玻璃，观察这种声音的振动图象（图2）．

从示波器上可以看出，乐音的振动虽然不一定按正弦规律变化，但仍是有规

则的，振动的周期是一定的；而噪音的振动没有规则，没有确定的周期．

既然乐音具有确定的周期和频率，一种乐音的音调就是确定的．在音乐理论

中，把一组音按音调高低的次序排列起来就成为音阶，也就是大家都知道的dou，

ruai，mi，fa，sou，la,xi，dou（简谱记做

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

阶和D调音阶中各音的频率．

唱名douruaimifasoulatidou

该唱名的频

率与dou的

频率之比

1∶19∶85∶44∶33∶25∶315∶82∶1

f/Hz(C调)264297335528

f/Hz(D调)2973343757594

有趣的是，高音dou的频率正好是中音dou频率的2倍，而且音阶中各音的

频率跟dou的频率之比都是整数之比．

还有更有趣的事情．喜欢音乐的同学都知道，有些音一起演奏时听起来好听，

有些音一起演奏时听起来不好听；前者叫做谐和音，后者叫做不谐和音．著名的

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

比是10：12：15：大三和弦听起来更为谐和，那是因为三个音的频率比是更小

的整数之比．随便拼凑在一起的三个音听起来不和谐，有兴趣的同学可以算一算

它们的频率比，一定是三个大得惊人的整数．

从这个例子可以看到艺术后面的科学道理，但是，艺术远比1＋l＝2复杂．从

上表中看出，频率增加一倍，音程高出8度．实际上这只对于中等音高是正确

的．人的感觉十分复杂，对于高音段来说，频率要增加一倍多，听起来音高才高

出一个8度．如果一个书呆子调琴师按照“频率翻倍”的办法调钢琴，那就要砸

饭碗了．

尽管如此，科学家们还是可以通过音乐家的实际测听，确定音高和频率

的对应关系，并且据此设计出优美动听的电子乐器．

绝妙的回音壁

北京天坛公园每天都吸引着成百上千的中外游客，公园中央的回音壁更是举世闻名的古建筑，

它是我国古代劳动人民智慧的结晶。

天坛回音壁，是用坚硬的方块砖砌成的，墙壁高达6米，围墙是半径

为32.5米圆周，而在地面圆周的中心放着一块石头，名叫三音石。回音壁奇就奇在两个相距很远，

面对墙壁的人可以切切私语！这看来是不可能的事。例如甲乙两人想距60米分别站在墙壁前，通

常只有其中的一个人大声说话时，别一边的人才可能听到，何况是对着墙壁说话，另一个人就更难听

到了。可事实并不是这样的，说话的人只要按正常的说话声音说话，另一个人就可以清晰听到他的

说话声了，这是什么缘故呢？

原来原因就出在这垛特殊的墙壁上，回音壁的墙壁与通常墙壁不同，它对声音的吸收很小，大

部分声音被它反射。如下图所示，甲对墙壁说话时，声音就从甲处传到A处，A处反射后又到B处，

再经C、D两处反射，就到了乙处，这时站在乙处的人就可以听到甲说话的“回声”了。

三音石是回音壁中的又一特色。当你站在三音石上拍一下手掌，你会

听到很多次拍掌的回音。一般要听到回音，必须距离障碍物至少11.3米才能听到，回音壁经多次

反射后，就把原来一次拍掌声音变成为很多个拍掌声了。如果您有机会来北京，千万别忘了到天坛

公园去欣赏一下回音壁。

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