出品：科普中国
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：FOX40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！
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哨声是裁判员领导一场比赛的主要信号，是比赛行止的命令，哨声是否准确及时关系着整场比赛能否顺利进行。
哨子的由来
英国在1863年开始有足球裁判。但裁判员只在场外而不进入场内，那时裁判员也不用哨子，只是靠大声喊叫和相应的手势来进行裁判。当时，由于足球比赛的场地大，看球的人数多，随着比赛的紧张进行，观众会不时发出阵阵掌声和欢呼声，尽管裁判员在场边大声喊叫，在场内比赛的队员仍难以听得清楚他的"裁判"。在这种情况下，裁判员就不得不把在场外进行的工作改为在场内进行，并开始使用哨子，以便取得较好的效果。
英国有不少足球资料表明，口哨在足球场上出现是在1875年，而且还是在一个偶然的情况下产生的。据说有一场比赛的裁判员是个警察，因为观众拥入场内使秩序大乱，比赛无法进行，那位警察裁判灵机一动，掏出警笛吹了起来，这居然还起了很大的作用，场上秩序很快就恢复了正 常。此后，足球场上的裁判就开始使用哨子进行执法工作了。
从出现第一个哨子到目前足球场上普遍采用音量较大的哨子，已经有一百多年的历史了。
鸣哨的几种情况
根据比赛的需要，尽量减少不必要的哨声，目前在国内比赛中，对必须鸣哨的几种情况及对哨声的要求统一如下：
1、 比赛开始（包括某队胜一球后重新开始比赛）。一声哨，哨声稍长。
2、 比赛时间终了（包括上半时或全场比赛时间终了）。二至三声短促哨，接一声长哨。
3、 判某队胜一球。一声长哨。
4、 执行罚球点球。一声哨，哨声稍长。
5、 场上发生犯规或其他情况，裁判员暂停比赛时，应及时鸣哨。
除以上五种情况外，如球出边线或球门线成死球，以及掷界外球、踢任意球、球门球、角球、裁判员坠球等恢复比赛时，可不鸣哨。一旦遇到特殊情况，则可酌情鸣哨，例如：
（1）球已越出边线或球门线，而队员尚未停止比赛活动，裁判员应鸣哨示意球已出界。
（2）在执行定位球恢复比赛时，有不符合规则规定的现象，裁判员予以纠正时，可以简短的哨声示意。
（3）在守方罚球区附近或罚球区内由攻方踢任意球时，裁判员在纠正守方队员退到距球9.15米的过程中应向双方交待明确，待纠正后再以信号恢复比赛，这种信号可以用哨声或用明确的手势示意。
鸣哨的方法与要求
哨声是裁判员使用的主要信号，必须准确及时，清脆果断。哨声虽不能代替复杂的语言但在很大程度上足以表达出裁判员在招待判决时是否坚毅果断，信心十足。一般地说，对裁判员哨声的要求，是在判罚及时准确的基础上，鸣哨清脆有力，强弱适度。如比赛开始、比赛时间终了或判某队胜一球的哨声应稍长，但也应适度，过长就会使人感到多余而讨厌。又如，判罚犯规的哨声，就应根据犯规的轻重程度有所区别，如系一般犯规，只须长短适中，清脆有力的一声哨即可；如出现粗野、严重的犯规，就以突发性的有力强音，显示出规则不容触犯的威严，虽未使用语言，却要向犯规队员表达“你的犯规够严重的”这样一种示意，哨声本身就要对犯规队员起到告诫作用。
减少不必要的哨声，是裁判员在场上必须重视的一项艺术。要提高哨声的"威严感"，裁判员应首先自我"净化噪音"。有的裁判员在吹判犯规时，习惯于在鸣一声长哨之后连续不断地加以琐碎哨声，有时为了纠正踢定位球地点上一丁点差误，也是琐碎哨声连绵不断，而且吹得震天响，这种多余的哨声，只会破坏比赛气氛，是极不可取的。
裁判员执哨的两种方法
一种是套在颈上，跑动时含在口中。这种方法的特点是响哨快，从决定鸣哨到发出哨声不需任何准备过程。但缺点是裁判员对激烈比赛过于敏感而猝然响哨，对某些微不足道的犯规，运用有利条款不予判罚的，但由于哨声已响无法挽回。另一缺点是将哨含在口中，奔跑时甚感不便，对急促的呼吸也有一定影响。
另一种是吊在腕上，跑动时拿在手中。这种方法的特点是奔跑方便，对跑动中急促的呼吸无影响。当裁判员看到犯规情况至含哨鸣响之前，对是否判罚或运用有利条款，有一瞬间的思考和再观察过程，不致发生一有情况就猝然响哨的缺点。
以上两种只是执哨方法，各级足联、足协并无统一规定和要求，但经长期实践证明，上述第二种方法具有较为明显的优越性，已为国际、国内裁判员普遍采用。
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