聲波:物理學中的交響樂

2020-12-06 中國氣象局

鳥兒的叫聲,風吹過樹葉的聲音,孩子的吵鬧聲,汽車的轟鳴聲,聲音緊緊把我們包圍。聲音有一個最基本的特質:它以波的形式傳播。每個聲波都有它的來源及旅程。

物體(聲源、發聲體)產生的振動使附近的空氣粒子產生同樣的振動,這些粒子把振動又傳遞到其他粒子,這樣連續傳遞直到最初的能量漸漸耗盡。壓力向鄰近空氣傳播的過程產生我們所說的聲波。風聲是空氣振動發聲,鼓靠鼓面振動發聲。

首先,聲波是一種波動,聲源發出聲音後要經過一定的介質才能向外傳播,即聲波是依靠介質的質點振動傳遞聲能的。當介質發生變化(包括介質材料的變化,密度及溫度的變化等)時,聲音的傳播也會隨之發生變化,例如聲速改變,傳播方向改變等。聲波的傳播需要介質,一切固體、液體、氣體都可以作為介質。一般情況下,聲音在固體中傳得最快,氣體中最慢(軟木除外)。聲波在大氣和液體介質中是縱波,在固體介質中既有縱波也有橫波。聲波在真空中無法傳播,這是因為真空中缺乏產生傳播振動的物質。比如月球表面是沒有空氣存在的,即使兩位太空人就處於正對面,他們也無法聽到對方的聲音。

通常情況下,人耳能聽到的聲波頻率為20赫茲~20千赫,被稱為可聽聲。頻率低於20赫茲的聲波稱為次聲波或超低聲;頻率20千赫~1吉赫的聲波稱為超聲波;頻率大於1吉赫的聲波稱為特超聲或微波超聲。每個物體都有獨特的聲波頻率和波長,這使聲波成為人們認識世界萬物的重要信息來源之一。

「姑蘇城外寒山寺,夜半鐘聲到客船。」 古剎的鐘聲為何能從遙遠的山上傳到客船上呢?這是因為聲波在空氣中傳播時很容易受到風和溫度的影響。

在1個標準大氣壓下,氣溫為15℃時,聲波的速度(聲速)約為340米/秒。順風時聲波速度更快,傳播距離也更遠,逆風時則相反。

在眾多的介質變化中,空氣溫度的變化將會使聲速發生改變,這種變化具體表現為:聲音在高溫空氣中傳播得更快(溫度高,作為傳播介質的氣體分子越活躍,聲波傳播越快),其速度與熱力學溫度的平方根成正比。聲波在空氣中的速度隨溫度的變化而變化,溫度每上升/下降5℃,聲音速度也將提高/降低3米/秒。聲速的改變,將使聲波向溫度低的一側彎曲。

由於寺內溫度較高,江面氣溫較低,且當天夜裡可能是順風,所以鐘聲能傳到船上。俗話說「隔牆有耳」,則是因為聲波的衍射。

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