制作：张志博（中国科学院声学研究所）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2022年冬奥会的脚步渐渐向我们走近，除了摩拳擦掌的运动员们，裁判的存在也十分引人注目。
一声哨响，精彩登场！
小小的哨子，吹响的是运动员的碰撞与激情，肩负的是体育的公平与公正，承载的是观众的关注与期望。
（图片来源：央视网）
小小的哨子是如何走上体育竞技场的？小身板如何拥有大嗓门？
（图片来源：veer图库）
裁判手里的哨子，其实来源于足球场上的一次意外
最早的哨音来自于足球比赛。最开始的足球比赛，裁判员只是一个无足轻重、可有可无的角色，裁判没有哨子，控场基本靠吼。
那么大的竞赛场所，中间是运动员的喧闹声，四周是球迷们的喝彩声和嘘叫声，裁判员的声音常常被嘈杂的声音覆盖，他不能进入运动场内，只能在场外大声吆喝、拼命喊叫。
因此，比赛往往会出现这种场面：场外的裁判员声嘶力竭，场上的运动员毫无反应！大家来算算，当时裁判员的心理阴影面积有多大？
1875年，在英国伦敦举行的一场足球赛中，由于意外的情况和偶然的巧合，产生了世界上最早的裁判哨音（划重点）。
在这场比赛中，双方球员对一个进了球门的球是不是有效产生了争议。球迷们为了袒护自己声援的一方，纷纷涌进球场内，比赛也因此停滞，眼看有可能酿成一场大混战，如果不及时制止，就可能会出现人命事故。
《股票口哨，伦敦，1909年一月》
（图片来源：bashny.net）
碰巧，担任这场比赛的裁判员是一名警察，面对混乱不堪的局面，出于警察的职业习惯，情急之下他吹响了警笛。闹事的观众们听到了警笛声，立刻自觉而迅速地退到了观众席上，运动员也顿时安静下来，整个球场的混乱秩序在警笛声吹响后很快便稳定下来。
这种意想不到的效果，使人们认识到了哨子的作用，此后哨子便成为了裁判员的工具，并从足球比赛扩展到了其他项目的体育运动中。
小小哨子，为什么能发出这么大的声音？
哨子的历史悠久。早期人类即发现有孔的葫芦或兽骨可以发声，于是开始有了类似的乐器。古埃及人也曾把小贝壳制作成哨子。
（图片来源：清和乐器博客）
哨子是一种依靠边棱振动发声的气鸣乐器。气鸣乐器，顾名思义是指以空气为激振动力而发声的乐器。
在气鸣乐器中，其发声方式主要有边棱音和簧振动两种。
当气流以一定的角度冲击吹孔对面的锐棱，气流分隔为两股交替分裂的旋涡而形成空气层脉动，这个声源带被称为边棱音。
边棱音产生示意图
（图片来源：作者绘制）
空腔则通过共振放大声音，也就是通常所说的“空气柱共振”。脉动的空气层犹如“空气簧”，激发管内空气柱共振，同时也受空气柱振动的影响。
在相互影响中，呈现出一种“强者制约弱者”的现象。在此，空气柱振动强于柔软的“空气簧”，以致前者在较大程度上对后者起调制作用，将其频率强加于后者。
这类乐器的声音，实际由两个声源（边棱音和空气柱共振）混合而成。而我们所听到的，主要是管出口端辐射的声音，其音高源自空气柱振动。
笛子的发声原理
（图片来源：作者绘制）
而簧振动则是由簧片的振动而发音的。当气流进入簧片微张的缝口时，在气流压力影响下形成簧片周期性的闭合，从而激发空气柱产生振动。
哨子的发声频率受多种因素影响，其中最主要的因素是哨子的形状。而在哨子的形状中，哨子内最大尺寸是主要因素。吹哨子时，流过哨子口的气流速度也会影响哨子的发声频率，气流速度越大，发声频率越高。此外，改变出气口尺寸也可以改变哨子的发声频率。
篮球裁判
（图片来源：新浪图片）
从“豌豆哨”到“无核哨”：裁判哨子的进化史
在现代体育赛场上，各种现代化、电气化的体育设施层出不穷，但裁判手中的哨子基本还像原来一样“朴实无华”。
“豌豆哨”作为各种体育比赛的裁判用哨，已经有100多年的历史。它的原理十分简单：将软木加工成豌豆状小球，植入哨子体内，在吹奏时气流会形成边棱音。
气流被哨子出口缝隙锋利的边缘分割成两部分，一股直接从缝隙冲出发出声音，另一股则在腔体内回旋并推动小球，当气流从缝隙冲出时就会再次加强声音。同时，小球的来回运动会扰动气流，使哨子发出独特的、清脆的声音。
“豌豆哨”原理动画演示
（图片来源：节选自西瓜视频《你真的知道哨子是这样做的吗》）
但是，这种传统的“豌豆哨”也存在着弊端。
其一，内部小球的运动限制了哨子发声的力度，在人声鼎沸的运动场上，哨音常常被现场的各种噪声所淹没，进而影响比赛的正常进行；
其二，由于豌豆球的体积较小，如果小球被弄湿或冻住，就会影响其运动，从而影响哨音。
如果吹哨时用力不当，很容易使豌豆球卡在哨壁中，导致哨子发不出声音，俗称“哑哨”。而这是比赛当中的重大事故，甚至会导致比赛中断。曾经有裁判就因为“哑哨”而遭到狂热球迷的殴打。
于是，对“无豌豆”哨子的呼声越来越强烈。加拿大人查克·谢泼德（chuck shepherd）、罗恩·福克斯克罗夫特（ron foxcroft）等人，根据长期的摸索发现：
要想发出和“豌豆哨”一样的声响，需要三个腔室，还分别需要一个高音、低音和中音部位，经过复杂的合奏，才能发出尖锐的声音。
后来，他们从教堂管风琴的腔室中找到了灵感，摸清了设计原理，并造出了原型哨。
三腔“无豌豆”哨的发声原理
（图片来源：作者绘制）
再后来，他们又想到了一个惊人的创意：将腔室像折纸一样折叠起来，这样便可以大大缩小哨子的体积，也使得它具有了实用性。
腔室折叠后增强了声音传播的集中性，这样的哨子发音强度远大于传统的“豌豆哨”！现在，我们已经能在很多的大型比赛上看到这种“无豌豆”的哨子（也称无核哨）。
三腔“无豌豆”哨（无核哨）实物
（图片来源：fox40kok手机网页版官网）
让我们共同期待北京冬奥赛场上那一声声嘹亮的哨音吧！