他们用噪音造了台冰箱用的是爆款动漫里的同款物理原理

来源:澎湃新闻 2020-10-04 17:19 https://www.yybnet.net/

原创万物把科学带回家

撰文七君

你知道吗，噪音可以用来降温。

这听起来有点扯，声音还能给人降温么。没错，除了我们介绍过的，2003年，联合利华、冰淇淋大户 Ben & Jerry”s 就和宾夕法尼亚州立大学联手，制造出了一台用噪音降温的冰箱。Ben & Jerry”s 的热声冰箱和研发者之一的 Matt Poese。图片来源：ASA

用声音降温的冰箱，利用的是热声效应（thermoacoustic effect）。

热声效应的原理其实并不复杂。我们知道，声波可以让空气振动，空气振动时会压缩和膨胀。空气分子随着声音的振动，随着声波的传播，一些区域压缩，一些区域膨胀。

气体被压缩时会变热，而膨胀时会变冷，声音就靠这一点改变温度。

大家看一下演示。不停给瓶子按摩，使气体分子变得活跃（动能增加），气压变大，瓶子里的气体温度上升——我们给自行车打气时也能感受到车胎因为气压增大而变热。如果打开瓶盖放出气体，那么气压降低，温度下降——反过来，温度的变化也会产生声音。

几百年前，吹玻璃的匠人就注意到，如果把热玻璃球接在冷玻璃管上，管子就会发出单调的噪音，这就是热声效应。不过工人们无法解释这种现象。

到了19世纪，热声效应逐渐得到物理学家的重视。1859年，荷兰物理学家 P. L. Rijke 利用热声效应制造出了会唱歌的管子。而在1887年，第三代瑞利男爵开始探讨用声音传热的可行性。 Rijke 管：只要在空管中放置一片筛子，并在下方加热，管子就会唱歌。

大家可以来围观一下屁股被烤了以后会唱歌的 Rijke 管子——

在全球大卖1000万册的漫画《炎炎消防队》中，角色卡力姆·福拉姆就拥有利用热声效应将热量转化为声音，再用声音降温使敌人冰冻的技能。话说回来，如果声音和温差会互相影响，那我们平时说话唱歌放P的时候为什么感受不到呢？

其实这是因为大家说话放P不够大力啊。

说话时产生的温度波动是40微摄氏度，也就是一摄氏度度的百万分之一，因此很难被感受到。但是，如果你的音浪能达到180分贝，温度波动就可以达到24摄氏度，这时候你附近的人就会感到一冷一热很刺激了。

总之，利用声音，就可以产生温差，制造空调和冰箱。1992年，美国发现者号航天飞机就曾搭载热声制冷机上天。发现者号航天飞机图片来源：wikipedia

Ben & Jerry”s 的冰箱用的也是同款原理，它能够让200升的冷柜维持零下18摄氏度的低温。管子里产生声波的驻波时，颗粒物滞留在波腹（声波的振幅最大）处。

这台冰箱原型机的原理是这样的：用喇叭产生的噪音在管子里产生驻波，也就是说管子某处的气体气压更大更热，而另一处气压更小更冷。在热声制冷设备中，驻波使某处的温度更高（蓝色），另一些地方更冷（棕色）。

用冷的这一端就可以用来给冰淇淋制冷了。当然，为了产生足够的冷气，这个冰箱里的喇叭能发出173分贝的巨大噪音，能够让人聋掉，比摇滚音乐会还要可怕。不过别担心，热声冰箱的噪音不会泄漏出来。

热声冰箱的好处很多。比如，现在冰箱常用的冷却剂是温室气体，而热声冰箱不含温室气体，环保得多。许多国家都在研究这种很有前景的技术。

Ben & Jerry”s 的热声冰箱的主要制冷设备。图片来源：NPR

说起热和声之间的转换，还有一个很有意思，但目前只在人类身上观察到的现象——微波听觉效应。

在二战时，在雷达发射机附近工作的人常会报告自己能听见微波的咔哒滴滴的声音。1961年，美国神经学家 Allan H. Frey 对这个现象进行了研究，因此后来这个脑中闹铃声又被命名为弗雷效应（the Frey effect）。一些人提出，这是热弹性膨胀导致的。

这就是说，大脑组织被微波加热后会膨胀和收缩，从而产生了振动。我们知道振动能产生声音，这种声音通过头骨传导给耳朵，然后又被大脑解析成了滴滴的声音。简而言之，这就是大脑听到自己“膨化变熟”的声音。这种解释并不是无中生有。早在1880年，贝尔在研发电话的时候发现，一些材料吸收了电磁波（比如阳光）之后会发出声音，后来这被称为光声现象。