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聲音不僅能煮飯,還能發電

2024-04-11資訊

你喜歡在烹飪時聆聽音樂嗎?如果大米也喜歡聽音樂就好了:那樣的話,我們不需要使用煤氣竈或電飯煲,只需要開啟音樂播放器,給大米聽聽音樂,它就會被煮熟成一鍋米飯,那該多麽節能啊!這個想法可不是天馬行空,不久的將來,它很可能成真。

聲音中藏著能量

我們所說的聲音實際上是多個分子的有序運動。發聲物體有規律地振動,使得空氣分子以特定的模式開始振動,然後就像多米諾骨牌一樣,這種振動模式依次向遠處傳播:空氣分子次第膨脹,擠壓周圍的鄰居,迫使它們收縮,隨後,被擠壓的空氣分子放松膨脹,迴圈往復。空氣分子膨脹和收縮的迴圈產生了一種在空氣中傳播的波,最終空氣波敲響耳膜並迫使它以相同的模式振動,大腦將耳膜的振動轉譯為聲音。

我們知道,溫度本質是衡量物體分子熱運動劇烈程度的物理量。比如,如果你坐在火爐旁邊,火焰發出的紅外線會照射到皮膚,其中所蘊含的能量會導致皮膚分子振動、擺動,火爐放射線的能量越多,皮膚分子的運動就越劇烈,我們感受到的溫度就越高。與此相似,聲波應該也會使我們感覺「溫暖」:當聲波擊中皮膚時,皮膚分子會像空氣分子一樣,以相同的頻率或模式開始振動,從而產生溫度。

可是實際上,即使對著手臂大喊大叫,你也不會覺得自己的手臂有灼熱感,皮膚分子難道沒有被聲波帶得振動起來嗎?其中一個原因是皮膚表面並不平整,其上有各種微小的角落、縫隙、隆起和皺紋。聲波不會同時以相同的方式擊中皮膚的所有部位,一些空氣分子在隆起處被吸收,卻在皺紋處被反射。因此,皮膚分子的振動會相互抵消,以至於熱量被消弭。但更重要的原因是,聲波所攜帶的能量原本就很小,一個足球場那麽大的巨浪拍擊到海灘上所產生的熱量比汽車在高速公路上行駛時車輪摩擦地面產生的熱量還小。所以,別說大喊聲,即使是拿一個大喇叭對著手臂播放搖滾樂,也別指望感受到升溫。

美國史丹佛大學的科學家做過這樣一個實驗:使用聲音來燒水。他們發現,如果要將一壺水燒開,聲音的響度需要達到270分貝,這個響度比火箭的發射聲音還大,可能會讓人的心臟和肺部破裂。所以,直接用聲音燒水幾乎沒有任何實用價值。

管中的火焰會唱歌

不過,換一種方法,我們也授權以將聲音中蘊藏的能量提取出來。

早在18世紀,歐洲吹玻璃的老匠人就發現了一種神奇的現象:如果將熱玻璃燈泡連線到冷玻璃管上,不需要任何額外動作,玻璃管就會發出響亮的聲音。1777年,愛爾蘭化學家貝倫·希金斯首先探究了這種現象的成因,他發現當將氫氣火焰放在一段兩端開口的空管子中的適當位置時,開口管會發出像風琴管一樣的聲音。空管子發聲是因為放入火焰,就好像是管中的火焰在唱歌,希金斯形象地將這一現象稱為「歌焰效應」。

後來,更多科學家參與到歌焰效應的研究中來,其本質也進一步得到揭示:真正讓管子發聲的,是其中溫度發生改變的空氣。簡單地說,就是聲音在空氣中傳播時在不斷振動,這會使空氣也隨之振動,而發生振動的空氣分子會隨著聲音的振動和聲波的傳播,時而壓縮時而膨脹,當瓦斯被壓縮時就會變熱,而在膨脹時則會變冷,聲音就這樣改變了空氣的溫度。與此同時,溫度的變化也會對聲音產生影響。如果在瓦斯最致密的時候加入熱量或最稀薄的時候吸取熱量,聲音就會變大(熱能變成聲能形式的機械能);反之,如果在瓦斯最致密的時候吸取熱量或最稀薄的時候加入熱量,聲音就會變小(聲能變為熱能)。這個現象被稱為「熱聲效應」。

玩轉熱能、聲能和電能

人們發現熱聲效應後,開始致力於研究這種現象在生活中的套用。1992年,美國科學家制造出了這樣一台冰箱:用管子收集喇叭產生的聲音來制冷。雜訊集中的管端,瓦斯氣壓更大,根據熱聲效應,這一端也就更熱,而另一端氣壓更小更冷,冷的這一端就可以當作冰箱使用。為了達到制冷效果,喇叭需要發出高達173分貝的巨大聲音,這足以讓人失聰,但好在熱聲冰箱的噪音不會泄漏出來。熱聲冰箱不使用任何對環境有害的制冷劑,也不會排放溫室瓦斯,比普通冰箱更加環保,因此很多國家都在研制這種冰箱。

傳統喇叭使用電磁感應將電能轉換成聲能,反過來,聲能也可以轉換成電能。熱聲發電技術是將熱聲發動機與發電機結合,將熱聲發動機產生的聲能轉換為電能的技術。這種新型的熱發電技術在空間電源、太陽能熱發電、分布式能源系統等領域具有發展潛力和重要套用前景。

在傳統的能源使用中,余熱總是被當作廢物浪費掉,加入聲能和電能轉換的環節,余熱也能更好地利用起來。美國擬在2025年前後重返月球,將空間核子反應爐電源送上月球為人類基地供電。該空間核子反應爐電源采用熱聲發電技術作為熱電轉換方案,能有效將核子反應爐產生的余熱轉換成電能,提高發電效率。目前空間核子反應爐電源樣機已完成地面測試。

在不遠的未來,也許我們真的可以用最喜歡的音樂來做晚飯。