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「聆通·解密」你应该知道的关于“声音”的全部奥秘

声音是什么

对于“声音”我其实一直是有些疑惑。很多时候,我们都认为声音是我们所听到的“某些物品制造出来的东西”。比如,海浪的声音、汽车的喇叭声、小鸟的叫声。但其实,从纯粹的物理学来看,声音只是物质的振动而已。

振动是以声波的形式“穿过”物质的。声波这个词,很可能让你想起这种场景:

这是横波,其中的每个粒子上下移动,产生类似蛇的形态。但声波其实不是这样的,声波看起来应该更像是蚯蚓的形态:

就像蚯蚓一样,声波通过压缩和舒展的方式来传播,这种形式叫纵波。弹簧就可以展现横波,纵波两种形式:

声音是从某种振动开始,通过物质产生纵波。如下图:

这大概就是声音的样子(圆点为了表示声音的媒介物质)。 在这个动图中,声波是由左侧灰色条振动产生的。这个灰色条可能是你的声带,吉他弦等等。通过观察你可以看出,声波是沿着从左往右的方向上移动的。但媒介中的每个单独的粒子(注意红色圆点)只会像你的振动源一样,在一个范围内前后移动。

所以说,声波不是一个蛇形的波(横波),而是一种压力波(纵波)。以空气中的声波举例,它会使一小片空气高于或低于正常压力。所以说,当你看到用蛇状图来表示声波时,这个图指的是声波压力(声压)的测量,而不是媒介中粒子运动的轨迹。

声音可以通过气体(常见的空气)、液体和固体传播。比如,在地震中感受到的晃动,都是声波在地面上传播导致的(在这种情况下,地壳断层的运动就起着上图红色条的作用,也就是声源)。

声音的速度是什么样的?

声波的速度是什么样的呢?这取决于压力波在介质中的移动速度。像空气这样可以高度压缩的介质,声波传播就需要更长的时间。而水这样压缩性小得多的介质,声波传播起来就会更快。

这就像两个人之间拿着一个弹簧,把其中一个人推一把,在另一个人感觉到之前,这个压力波会在弹簧上“旅行”一段时间。但是,如果两个人之间拿着的是一根木棍,当其中一个人推一把,另一个人就会立即感觉到,这是因为木棍的可压缩性要小得多。

所以说,声音在空气中是340米/秒,在水中就要快4倍左右差不多是1497米/秒,在固体,比如铁中则会达到5200米/秒。

我们如何通过耳朵听到声音

我们的耳朵是一个很神奇的器官。通过耳朵,我们可以感受到周围空气中的声音,转化成信息处理。能够让我们清楚的知道声音的来源,以及声音的含义。它使我们能够交谈,交流。

你可以想象一下整个交流的过程:你的大脑有一个想法,你准备将这个想法表达出来。你会以正确的方式振动你的声带。当空气离开你的时候,就会随着声波变成高压和低压区域传播到周围的所有空气中,其中的一小部分会最终传到你朋友的耳朵里。在那里空气振动鼓膜,再通过三个微小的骨头(锤骨,砧骨,镫骨)传播到一个小的液体囊之中,将信息传递转化成电脉冲传送到听觉神经并进入大脑。在哪里信息被解码。所有这一切都发生在八分之一秒内。这是一个神奇的事情。

人耳可以辨别出声音的很多品质,但最基本的两个是音高和响度。

音高与响度

音高

音高是关于波长的 —— 就是压力波之间的距离有多远。

波长越短,间距越小。人类可以听到低至20Hz(17米的波长)高达20000Hz(1.7厘米的波长)的频率。随着年龄的增长,大多数人都会逐渐丧失部分听到高音的能力。

响度

我们听到的声音的响度是由声波的幅度决定的。在上面的动图中所描绘的高音和低音具有相同的响度,因为动图底部的压力曲线在垂直方向上具有相同的幅度大小。 所以说,越大的声音,低压和高压之间的振荡幅度越大。

我们经常用分贝来测量响度。响度的范围非常小。声音本身不是一个物体。它是一种通过媒介传播的压力波。正如我们所说的那样,声波的高压点和低压点的平均值必须是介质的正常压力,响度受限于最终低压点只能是是零压力(真空)这个事实。

使用分贝做测量单位的好处是,根据定义,人耳可检测到的绝对最微弱的声音是0dB,我们称之为“听觉阈值”。如果能听到低至 -9.4分贝的声音,你甚至可以听到血液通过你自己大脑的声音。地球表面上最大的持续声音是194分贝,这是声波在高压是正常大气压两倍和低压为完全真空没有压力之间的声波。

要记住一点,使用分贝做响度测量单位时。每增加10dB就会使响度增加一倍。如:20dB是10dB的两倍,30dB是10dB的四倍,80dB是10dB的128倍……

声波的标尺停留在194dB。因为地球表面上没有更响亮的声音了。但我们可以通过两种方式突破这个极限:

(1)冲击波

当释放出足够大的能量时,一旦超过194dB,比如说达到195dB. 能量就会停止在空气中移动,并开始向外推动空气,产生真空。能量高于194dB越多,所造成的真空范围越大,它会成为一个快速增长的半球体向外扩展:

在真空体旁边是一个超压缩的气体屏障,当这个屏障扫过陆地时,它通常会抹平使其路径上的任何阻碍物:

随着半球的扩张,它会失去能量并最终消散。举两个著名的超过194dB的事件:

广岛和长崎的原子弹:据说超过了200dB.冲击波在30秒内冲击了11公里。

1883年Krakatoa火山爆发:它的声音很大,距离100英里的地方,声音仍然高达172分贝。甚至能在3000英里外听得到。在声音最终远远超出人类无法听到的声音之后,世界各地的气压计在接下来的几天里都会疯狂,因为声波在地球上盘旋了3.5次。

(2)通过其他媒介

如果声音通过其他媒介传播,是可能有比194dB更响的声音的。只是这个声音不在地球表面。有可能在海洋里,地壳里,其他星球上? 比如,太阳系中的其他行星。

声音不会在真空里传播者真是一个好消息。否则世界将变得不可想象。假如宇宙中充满了空气,那么你只是坐在那里晒太阳。就可以听到高达100dB的太阳的声音(就像是摩托车的音量)…… 每天 …… 无处不在 ……

声音让整个世界变得更加奇妙了,不是吗?

作者:Tim Urban

翻译:聆通小编

原文链接:

https://waitbutwhy.com/2016/03/sound.html

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