地球上風速遠沒有在空氣中的聲速快,目前我們將風的等級劃分為0-18個等級,0級風表示沒有風感,看煙筒冒出煙是直的,從科學上說將0-0.2米/秒範圍內風速定義為0級風。風的等級越高,風速越快,目前地球上最快風速是18級風,風的速度大於61.2/秒,但這樣的風在地球上非常罕見,能被檢測到機會很少。而現在已經測得空氣中常溫常壓下聲波速度是344m/s,淡水中為1430m/s,海水中1500m/s,鋼鐵中5800m/s,鋁中6400m/s,石英玻璃中5370m/s。
圖註:朝著風向或逆風喊叫真的對聲波有影響嗎?在空氣中雖然風沒有聲音快,但風確實會影響聲音通過它的速度。聲波在風的方向傳播得更快,在風的方向傳播得更慢。除了減速或助推外,風還通過折射改變聲波的路徑。所以逆風說話時,在同樣的時間範圍內,聲音傳播距離會短一些。
什麼是聲音?
鼓在被擊打時發出聲音,吉他在撥動琴弦時發出聲音,喉部(人類的音箱)因空氣流過而振動。因此,最簡單形式的聲音可以描述為物體振動引起的壓力波。
由於聲波是由於物質的振動而產生的,所以它們被歸類為機械波,需要一種介質來傳播,而不像電磁波(光)。這種傳播通過振動粒子在傳播方向上的碰撞而發生。這也是為什麼聲音可以穿過氣體、液體和固體,但不能穿過真空,因為它缺少物質。
由於傳輸介質在聲波傳播中起著至關重要的作用,任何影響介質狀態的因素都會直接影響聲波在介質中的傳播。介質的溫度、分子/原子在介質中的分布等因素都對聲波的傳播起著決定作用。
風對聲波的影響
雖然使用有線電話的日子已經遠去了,但我們經常會大喊大叫地與遠離我們的人(例如,山下或湖對岸的人)交流。在這裡,和大多數情況一樣,周圍的空氣起著媒介的作用。風(空氣在給定方向上的整體運動)攜帶你的聲音,並指示它將以多快、多清楚的速度傳送到接收器。
風和聲音有一種類似於遊泳者和水流的關係。遊泳者肯定能朝著水流方向遊得更快,在同等能耗的基礎上,逆流而上則會減慢速度。類似地,當風與聲音的方向都在同一個方向上移動時,聲速被一個等於風速的因子複合,當這兩個方向都不在同一個方向上移動時,聲速被減慢。
例如:當風速為13.4米/秒時,聲音的下風速度為357.4米/秒(空氣中的聲音速度為344米/秒),而聲音的逆風速度將降低到330.6米/秒。風速需要顯著提高,才能使聲音的速度明顯增加或減少。
聲波折射
折射是指波從一種介質傳播到另一種介質時,其方向的變化過程,其結果是波的速度和波長發生改變。這種現象在光波中最為明顯,在聲波中很少見到,因為它們往往通過單一介質(空氣)傳播。然而,當波陣面在具有不同性質的介質中傳播時,聲波會發生折射。
回到風中,由於有障礙物(樹木、建築物、山脈等)的存在,通常情況下,在地表附近的風速很低,並且隨著我們離地表越來越高,風速也會增加。這種在較高和較低水平風速的差異導致速度梯度。梯度,反過來,影響在各個級別的聲速。
圖註:與風同向傳播的聲波被折射到表面。當聲波沿風向傳播時,由於風速的不同,波前的上半部分比下半部分移動得更快。在長距離上,波前頂部和底部位置的差異呈指數增長。最後,聲波被迫改變方向,向下折射到地面。
另一方面,當聲波逆風傳播時,聲速會降低。波前上半部分的速度比下半部分降低得多。隨著時間的推移,上半部分明顯落後於下半部分,最終聲波會向上折射,遠離地面。
由於風速的不同,聲波的彎曲/折射常常導致陰影區的形成,這些陰影區仍然沒有任何聲音!
圖註:逆風傳播的聲波會從地表向高空折射出去。因此,風速的差異會導致聲音的折射,這使得從順風的源頭髮出的聲音更容易聽到,而在逆風的源頭則更難聽到。
總結
除了風速梯度外,溫度和密度等因素也會導致聲波的折射。在水體(湖泊或池塘)附近,由於空氣溫度不同而產生的折射現象非常普遍,漁民經常會遇到這種情況。由於水對空氣分子有冷卻作用,與遠離水面的空氣相比,靠近水面的空氣往往要稍微冷一些(熱轉化)。在早晨太陽還沒有到達產生熱量的最佳位置時,這種溫度差異最為明顯。聲音在溫暖的空氣中傳播得更快,因此聲波會被折射到表面,並且傳播的距離比通常要遠。
這種聲波的延伸/放大是「野外」為數不多的已知聲折射例子之一。
儘管如此,既然你知道了聲音和風是如何相互作用的,如果你需要求助風,一定要利用它為你帶來好處!