裁判必備的哨子，竟然來源於足球場上的一次意外

出品：科普中國

製作：張志博（中國科學院聲學研究所）

監製：中國科學院計算機網路資訊中心

2022年冬奧會的腳步漸漸向我們走近，除了摩拳擦掌的運動員們，裁判的存在也十分引人注目。

一聲哨響，精彩登場！

小小的哨子，吹響的是運動員的碰撞與激情，肩負的是體育的公平與公正，承載的是觀眾的關注與期望。

（圖片來源：央視網）

小小的哨子是如何走上體育競技場的？小身板如何擁有大嗓門？

（圖片來源：veer相簿）

裁判手裡的哨子，其實來源於足球場上的一次意外

最早的哨音來自於足球比賽。最開始的足球比賽，裁判員只是一個無足輕重、可有可無的角色，裁判沒有哨子，控場基本靠吼。

那麼大的競賽場所，中間是運動員的喧鬧聲，四周是球迷們的喝彩聲和噓叫聲，裁判員的聲音常常被嘈雜的聲音覆蓋，他不能進入運動場內，只能在場外大聲吆喝、拼命喊叫。

因此，比賽往往會出現這種場面：場外的裁判員聲嘶力竭，場上的運動員毫無反應！大家來算算，當時裁判員的心理陰影面積有多大？

1875年，在英國倫敦舉行的一場足球賽中，由於意外的情況和偶然的巧合，產生了世界上最早的裁判哨音（劃重點）。

在這場比賽中，雙方球員對一個進了球門的球是不是有效產生了爭議。球迷們為了袒護自己聲援的一方，紛紛湧進球場內，比賽也因此停滯，眼看有可能釀成一場大混戰，如果不及時制止，就可能會出現人命事故。

《股票口哨，倫敦，1909年一月》（圖片來源：Bashny.Net）

碰巧，擔任這場比賽的裁判員是一名警察，面對混亂不堪的局面，出於警察的職業習慣，情急之下他吹響了警笛。鬧事的觀眾們聽到了警笛聲，立刻自覺而迅速地退到了觀眾席上，運動員也頓時安靜下來，整個球場的混亂秩序在警笛聲吹響後很快便穩定下來。

這種意想不到的效果，使人們認識到了哨子的作用，此後哨子便成為了裁判員的工具，並從足球比賽擴充套件到了其他專案的體育運動中。

小小哨子，為什麼能發出這麼大的聲音？

哨子的歷史悠久。早期人類即發現有孔的葫蘆或獸骨可以發聲，於是開始有了類似的樂器。古埃及人也曾把小貝殼製作成哨子。

（圖片來源：清和樂器部落格）

哨子是一種依靠邊稜振動發聲的氣鳴樂器。氣鳴樂器，顧名思義是指以空氣為激振動力而發聲的樂器。

在氣鳴樂器中，其發聲方式主要有邊稜音和簧振動兩種。

當氣流以一定的角度衝擊吹孔對面的銳稜，氣流分隔為兩股交替分裂的旋渦而形成空氣層脈動，這個聲源帶被稱為邊稜音。

邊稜音產生示意圖（圖片來源：作者繪製）

空腔則透過共振放大聲音，也就是通常所說的“空氣柱共振”。脈動的空氣層猶如“空氣簧”，激發管內空氣柱共振，同時也受空氣柱振動的影響。

在相互影響中，呈現出一種“強者制約弱者”的現象。在此，空氣柱振動強於柔軟的“空氣簧”，以致前者在較大程度上對後者起調製作用，將其頻率強加於後者。

這類樂器的聲音，實際由兩個聲源（邊稜音和空氣柱共振）混合而成。而我們所聽到的，主要是管出口端輻射的聲音，其音高源自空氣柱振動。

笛子的發聲原理（圖片來源：作者繪製）

而簧振動則是由簧片的振動而發音的。當氣流進入簧片微張的縫口時，在氣流壓力影響下形成簧片週期性的閉合，從而激發空氣柱產生振動。

哨子的發聲頻率受多種因素影響，其中最主要的因素是哨子的形狀。而在哨子的形狀中，哨子內最大尺寸是主要因素。吹哨子時，流過哨子口的氣流速度也會影響哨子的發聲頻率，氣流速度越大，發聲頻率越高。此外，改變出氣口尺寸也可以改變哨子的發聲頻率。

籃球裁判（圖片來源：新浪圖片）

從“豌豆哨”到“無核哨”：裁判哨子的進化史

在現代體育賽場上，各種現代化、電氣化的體育設施層出不窮，但裁判手中的哨子基本還像原來一樣“樸實無華”。

“豌豆哨”作為各種體育比賽的裁判用哨，已經有100多年的歷史。它的原理十分簡單：將軟木加工成豌豆狀小球，植入哨子體內，在吹奏時氣流會形成邊稜音。

氣流被哨子出口縫隙鋒利的邊緣分割成兩部分，一股直接從縫隙衝出發出聲音，另一股則在腔體內迴旋並推動小球，當氣流從縫隙衝出時就會再次加強聲音。同時，小球的來回運動會擾動氣流，使哨子發出獨特的、清脆的聲音。

“豌豆哨”原理動畫演示（圖片來源：節選自西瓜影片《你真的知道哨子是這樣做的嗎》）

但是，這種傳統的“豌豆哨”也存在著弊端。

其一，內部小球的運動限制了哨子發聲的力度，在人聲鼎沸的運動場上，哨音常常被現場的各種噪聲所淹沒，進而影響比賽的正常進行；

其二，由於豌豆球的體積較小，如果小球被弄溼或凍住，就會影響其運動，從而影響哨音。

如果吹哨時用力不當，很容易使豌豆球卡在哨壁中，導致哨子發不出聲音，俗稱“啞哨”。而這是比賽當中的重大事故，甚至會導致比賽中斷。曾經有裁判就因為“啞哨”而遭到狂熱球迷的毆打。

於是，對“無豌豆”哨子的呼聲越來越強烈。加拿大人查克·謝潑德（Chuck Shepherd）、羅恩·福克斯克羅夫特（Ron Foxcroft）等人，根據長期的摸索發現：

要想發出和“豌豆哨”一樣的聲響，需要三個腔室，還分別需要一個高音、低音和中音部位，經過複雜的合奏，才能發出尖銳的聲音。

後來，他們從教堂管風琴的腔室中找到了靈感，摸清了設計原理，並造出了原型哨。

三腔“無豌豆”哨的發聲原理（圖片來源：作者繪製）

再後來，他們又想到了一個驚人的創意：將腔室像摺紙一樣摺疊起來，這樣便可以大大縮小哨子的體積，也使得它具有了實用性。

腔室摺疊後增強了聲音傳播的集中性，這樣的哨子發音強度遠大於傳統的“豌豆哨”！現在，我們已經能在很多的大型比賽上看到這種“無豌豆”的哨子（也稱無核哨）。

三腔“無豌豆”哨（無核哨）實物（圖片來源：FOX40官網）

讓我們共同期待北京冬奧賽場上那一聲聲嘹亮的哨音吧！