土电话与表面声波

郭治

你可能早就玩过“土电话”了：用粗棉线拴上两个纸盒，一个人对着纸盒讲话，另一个人把纸盒贴在耳朵上就听到了声音。这个游戏说明了固体也是能传播声音的，那绷紧了的棉线就是传播声波的介质。

声波怎样在固体里传播呢？我们不妨改进一下“土电话”，研究一下那根棉线上的声波：

找一段小线，在线中间拴上一面小镜子，线的一端拴在椅子背框上（或者由一位同学拉住），线的另一端穿在一个较大的纸盒子上。拿住纸盒子把线绷紧，让阳光照在镜子上，镜子的反射光线映到墙上，墙上出现了一块亮斑。绷紧线之后，镜子稳定下来了，它反射出来的光斑也就不再晃动了。敲一下纸盒，纸盒发出了声响，与此同时你会看到，镜子反射出的光斑上下左右地晃动了！

这个游戏告诉我们：声波在小线里传播时，出现了比较复杂的情况，拴着镜子的那一点既有上下振动（与声的传播方向垂直），又有前后振动（与声的传播方向一致）。

我们再看一看长纸板传声的情况。

找一块长纸板（或长木板），在板上放些小块纸屑或瓜子壳。敲木板的一端，另一端听到了声音。同时观察小纸屑或瓜子壳，只见它们上下前后胡乱地移动着位置。这个游戏也说明，固体表面传播声波时，情况是复杂的。 1885 年著名的英国物理学家瑞利从理论上证明，声波在固体表面传播

时，会出现一种奇妙的表面声波。

表面声波是在物体表面（即两种介质的交界面）上传播的声波。表面声波并不神秘。你把石头扔到水里，在水响的同时会看到水面上荡漾起一个接一个的波纹，那就是水面上传播的一种表面波，那水面就是两种介质（水和空气）的交界面。

有些动物能利用探听到的表面声波做出反应。聪明的看家狗，夜里总要趴在门口的地面上睡觉，一旦有脚步声，它就会立即惊醒。

夏天，我们在池塘或河湾的水面上，常常可以看到一种黑色的小甲虫—

—豉虫，要是你用沉重的脚步走去，那甲虫便立即察觉，马上逃生。

科学家把豉虫捉到实验室里进行研究，发现它在暗无天日的实验箱里，仍然生活得灵活自如，就是把它的眼睛破坏了，它的行为也变化不大。它靠什么来“看”到“敌人”呢？人们发现，豉虫的触角很有用，它总是伸到水和空气的界面上。触角上密密地布满了毛，能捕捉水的表面波。鼓虫就是利用表面波来收集信息保护自己的。把它的触角剪掉，它就只会乱碰乱撞了。

能不能利用表面波为人类造福呢？

1900 年，英国地震学家根据地震仪获得的记录，证明地震时地表面确实存在着一种奇异的波，说明瑞利的理论是正确的。于是，人们便把这种波命名为“瑞利波”。现在已知，表面波有许多种，瑞利波只是其中的一种。科学家们对地震时的表面波进行了深入的研究，他们的研究成果启发了建筑师。建筑师们运用对表面波的研究成果改进了建筑设计，盖出了高耸入云的防震抗震大厦。例如，最近日本正在营建的“防震公寓”可将地震晃动减弱到通常的 1/3～1/4。

本世纪 60 年代以来，兴起了一种新技术——表面声波技术。科学家们发

现，在某些特殊固体材料表面上传播的瑞利型表面声波，有着许多难能可贵之处。首先，它只沿材料表面传播，传输的声能量有 95％集中在表面的薄层里；其次，它传播得很慢，只有电磁波的 1/10。

1965 年美国科学家怀特发明了一种仪器叫“叉指换能器”，这种仪器可以使电信号产生表面声波，也能使表面声波产生电信号。这个发明为表面声波显示本领搭设了舞台。

在现代电子技术中经常需要把讯号延迟一下。例如，电子计算机前“一拥而上”地出现许多信号，就必须分别轻重缓急，让它们“排队”入机，这就要让某些讯号延迟一下。利用老技术延迟一下微波讯号需要上千米电缆，利用叉指换能器为主体的表面声波延迟线，只用长 5cm 的小元件就解决问题了。

目前，表面声波技术已在广播电视、通讯、雷达、电脑等各项技术中崭露头角，成了高新技术中的一秀。