自制聽診器

□文/張軍

大自然是個(gè)聲音的海洋。聲音在傳播過程中攜帶著大量的信息，人類和動(dòng)物每天都在利用聲音傳遞信息，同時(shí)也在收集、處理聲音信息，比如根據(jù)上課、下課的鈴聲來(lái)安排作息，聽從眼保健操的指令按摩不同穴位，再比如動(dòng)物發(fā)出特殊的聲音求偶或者嚇走敵人，等等。今天，我們就來(lái)聊一聊聲音在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，并用身邊的材料來(lái)做簡(jiǎn)易聽診器。

對(duì)聲音的應(yīng)用隨處可見

聲音攜帶的信息非常豐富。用橡膠錘在地磚四角和中心部位分別敲一敲，就能知道地磚下面是實(shí)心的還是有空鼓，因?yàn)閮煞N不同情況下的聲音的音調(diào)和音色有差別。同樣，根據(jù)手指敲西瓜發(fā)出的聲音，可以判斷西瓜有沒有熟透（圖1）；敲擊一下瓷器，根據(jù)聲音可以判斷有沒有破損；敲擊墻體，可以判斷墻體里是否有暗格。小溪的水流緩急不同，發(fā)出的聲音有差別；反過來(lái)，我們也可以通過聽聲音來(lái)判斷水流的緩急。不同的人說(shuō)話、唱歌，音色是不同的，這樣我們就能“聽聲辨人”了，當(dāng)然也可以“聽聲辨物”“聽聲辨位”。

圖1 供圖/視覺中國(guó)

有經(jīng)驗(yàn)的母親能根據(jù)嬰兒聲音的變化，覺察到寶寶情緒的變化，根據(jù)哭聲判斷寶寶是餓了還是熱了，或者要便便了。一個(gè)人如果感冒了，通過說(shuō)話聲很容易聽出來(lái)。人在憤怒時(shí)，或者膽怯、心虛時(shí)，也能從說(shuō)話聲中表現(xiàn)出來(lái)。古代的琴師根據(jù)琴聲的變化，能判斷天氣的變化；在大霧中航行的水手，對(duì)著懸崖吹號(hào)角，根據(jù)回聲能判斷船到懸崖的距離；鐵路工人把耳朵貼在鋼軌上，通過聽聲音能判斷火車距離多遠(yuǎn)。

準(zhǔn)備3 個(gè)相同的玻璃瓶，倒入不同深度的水（圖2）。在瓶口吹氣時(shí)，瓶?jī)?nèi)空氣柱會(huì)振動(dòng)發(fā)聲，空氣柱越短，發(fā)聲的音調(diào)就越高。敲酒瓶也能聽到聲音，但這時(shí)的聲音是酒瓶振動(dòng)發(fā)出的。水越多，酒瓶振動(dòng)越慢，音調(diào)也就越低；反過來(lái)，我們也可以根據(jù)發(fā)聲音調(diào)的變化來(lái)判斷瓶?jī)?nèi)水量的變化。以前賣柴油的人，用木棒敲一敲柴油桶，聽聽聲音就能判斷油桶里的油量，就是這個(gè)原理。

圖2

聲音在情報(bào)戰(zhàn)中的應(yīng)用

利用聲音收集信息的歷史比較久遠(yuǎn)。春秋時(shí)期就出現(xiàn)了一種叫“聽甕”的設(shè)備，說(shuō)白了，就是一個(gè)大肚子的陶瓷罐（圖3）。聽甕的使用方法基本上有兩種：一是在罐口蒙上皮革，然后將罐子埋入地下，人耳貼在罐口皮革上，或者貼在專門的聽口上聽聲音，通過收集聲音信息來(lái)判斷是否有人在挖地道攻城，或者有沒有馬隊(duì)來(lái)襲、從什么方向來(lái)、大約有多少人馬，等等；二是將大罐子埋入地下，派人直接坐在罐子中聽辨聲響。聽聲的人員多是經(jīng)過培訓(xùn)的盲人，因?yàn)樗麄兊穆犃ν瑥?qiáng)。

圖3

我們?cè)诜块g里說(shuō)話，聲音傳播到窗玻璃時(shí)，會(huì)引起玻璃的振動(dòng)。遠(yuǎn)處一束激光照射到玻璃外表面，反射光線也會(huì)隨著玻璃的振動(dòng)發(fā)生相應(yīng)的改變。收集反射光線并進(jìn)行分析，就能“復(fù)原”屋中人談話的內(nèi)容。這就是隱蔽性極強(qiáng)的激光竊聽，30年前就出現(xiàn)了。

發(fā)聲體的材料和構(gòu)造不同，發(fā)聲的音色就不同。我們很難找到能發(fā)出同樣音色的兩個(gè)物體，就像很難找到兩片相同的樹葉，“聲紋鎖”就應(yīng)用了音色識(shí)別技術(shù)。不同的潛艇在水下行駛時(shí)，發(fā)聲的音色、音調(diào)、響度都不盡相同，形成了自己獨(dú)特的“聲學(xué)指紋”。將水下收集的聲音與數(shù)據(jù)庫(kù)分析比對(duì)，就能知道潛艇是敵是友。

超聲波定位與次聲波預(yù)警

一些動(dòng)物，比如蝙蝠、海豚、海豹、豬尾鼠等，都具有回聲定位的本領(lǐng)。當(dāng)然，它們用的是超聲波，因?yàn)槌暡ǖ姆较蛐院谩⒁子讷@得集中的聲能。這些動(dòng)物發(fā)出超聲波，然后收集反射回來(lái)的聲波，以此判定周圍物體的位置、大小、是否移動(dòng)等信息，可以用于導(dǎo)航，也可以用于捕食。人類根據(jù)這個(gè)原理發(fā)明了聲吶，利用超聲波在水中傳播和反射的特性，通過電聲轉(zhuǎn)換、信息處理，來(lái)探測(cè)海底地形、搜尋魚群、發(fā)現(xiàn)潛艇、測(cè)量距離、導(dǎo)航等。

地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯來(lái)臨時(shí)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的次聲波，次聲波的傳播速度遠(yuǎn)大于地震、臺(tái)風(fēng)、海嘯本身的速度，通過監(jiān)測(cè)次聲波，可以提前發(fā)出警報(bào)。很多動(dòng)物都能聽到這些次聲波，可以及早逃離。2004 年的印度洋海嘯導(dǎo)致將近30 萬(wàn)人員傷亡，但是沒有大象傷亡。有人猜測(cè)是因?yàn)榇笙舐牭搅舜温暡ǎ崆疤由恕?/p>

如果能把動(dòng)物之間的“語(yǔ)言”翻譯出來(lái)，一定能幫助人類避開很多自然災(zāi)害。

聲音與醫(yī)療診斷

醫(yī)生也常常利用聲波來(lái)輔助診療。中醫(yī)通過“四診”（望、聞、問、切）來(lái)收集病情，其中的“聞”有兩個(gè)意思：一是“嗅”，收集口腔等的氣味信息；二是“聽”，收集說(shuō)話、喘息、咳嗽時(shí)的聲音信息。中醫(yī)還會(huì)用掌面拍擊或手指叩擊病人的某些部位，根據(jù)聲音信息來(lái)診斷病情，原理和前面的敲酒瓶相似。A 超和B 超則是使用儀器分析超聲傳導(dǎo)來(lái)診斷疾病的手段。

使用聽診器可以收集和放大心臟、肺部、血管等部位的聲音，幫助醫(yī)生感知這些部位是否存在異常。聲學(xué)聽診器的基本結(jié)構(gòu)是三部分——聽診頭（用來(lái)收集聲音）、膠管（用來(lái)傳播聲音）、耳件（用來(lái)聽音）。聲音在管道中傳播時(shí)，聲能散失少，可以增大響度。我們身邊的很多器材都可以用作簡(jiǎn)易聽診器，比如PVC 管、竹筒、紙筒、去底的飲料瓶，將一端抵在心臟部位，耳朵靠近另一端就能聽到聲音了（圖4）。實(shí)際上，早期的聽診器就是一個(gè)木筒（圖5）。

圖4

圖5

用鉛筆在紙杯的底部戳個(gè)圓洞，讓一小截吸管剛好可以插進(jìn)去，用熱熔膠槍將吸管固定牢靠，再將一根塑料軟管套到吸管上，簡(jiǎn)易的聲學(xué)聽診器就做好了。將紙杯扣在心臟部位，把軟管的另一端塞到耳道口，你就能聽到自己和小伙伴的心跳了（圖6）。你可以尋找身邊器材，對(duì)聽診頭、耳塞等進(jìn)行改進(jìn)，讓聽到的聲音更大、耳朵被觸碰時(shí)的感覺更舒適。

圖6