為什麼在水下與人交談聲音比在空中傳播更困難?

2020-12-22 科技領航人

聲音在水中傳播的速度比在空氣中傳播的速度快。在典型條件下,空氣中的聲音速度約為每秒343米,而水中的聲音速度約為每秒1,480米。

圖註:聲音在水下的傳播是如此之好,以至於潛艇使用基於聲音的聲納來成像其周圍環境。從根本上講,標準聲音是通過物質傳播的壓縮波。您可以將一種物質視為由彈簧(代表原子之間的鍵)連接的球(代表原子)組成的網格。當您推動網格中的幾個球時,它們會在一側更靠近其鄰居,並且將這些球與鄰居相連的彈簧壓縮。但是壓縮的彈簧會彈回,將球推回到其原始位置。

但是,在此過程中,相鄰的球被推壓,導致連接它們和它們的鄰居的彈簧壓縮。這個過程以多米諾骨牌的方式重複,您會得到一條壓縮波,穿過球的網格。以類似的方式,標準聲音是通過材料中原子和鍵的傳播的壓縮波。

考慮到聲音的壓縮波特性,應該認為較硬的物質會以較高的速度傳播聲音。在球和彈簧的隱喻網格中,較硬的彈簧將快速回彈,從而導致波更快地傳播。同樣,在實際材料中,原子之間較硬的化學鍵導致音速更快。

諸如空氣和水之類的非剛性材料的聲音速度相對較慢,而諸如鑽石和鐵之類的剛性材料的聲音速度卻較高。關鍵因素是所涉及化學鍵的剛度,而不僅僅是存在的分子類型。例如,以冰形式結合的水分子的聲速是液態水的兩倍。

但是,除了化學鍵(彈簧)外,我們還需要考慮更多。我們還必須考慮原子本身(網格中的隱喻球)。更大質量的球需要克服更大的慣性,因此需要更長的時間來響應鄰居的推動。通常,其他所有條件都相同,較重的物質(具有較高質量密度的物質)的聲音速度較慢。在確定給定物質中的聲速時,物質的剛度和密度往往會相互影響。

儘管固體通常比液體更硬,所以固體通常比液體具有更快的聲音速度,但是這種概括並不總是正確的,因為密度也起著作用。輕而硬的液體(例如甘油中聲波傳播v = 1900 m / s)比重的海綿狀固體(例如橡膠中的聲波傳播v = 1600 m / s)具有更高的聲速。水比空氣更稠密,其剛度卻比空氣大得多,高密度且剛度更強使得水中的音速比空氣更大。

但是,聲音在水中傳播的速度比在空中傳播的速度快的事實提出了下一個問題:為什麼在水下與人交談比在空中傳播更困難?答案是聲音從空氣到水的耦合效果很差。當您講話時,您可以通過發出空氣然後通過該空氣發送壓縮波來實現。肺部提供空氣,而振動的聲帶和嘴巴會在空氣上留下適當的聲音波形。

圖註:像海豚就能在水下很好的傳遞聲音,因為它不存在空氣-水界面對聲音的反射。為了讓水下的人聽到您的聲音,聲波必須從嘴裡的空氣傳播到周圍的水中。聲波很難從空氣進入水中,並且大部分在空氣-水界面處反射而不是傳播到水中。如果您的肺部和呼吸道充滿水,並且您的聲帶和肺部經過調整可以處理水,那麼您將在水下產生更好的聲音,因為將不再有空氣-水界面對聲音的反射。

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