声音最大能有多大?

声音最大能有多大?
2019年07月24日 08:52 新浪科技综合

  来源:中科院物理所

  我们认为声音是我们听到的某种东西,但在纯粹的物理定义中,声波正是振动在物质中传播的形式。当我们想起声波的时候,脑海中可能会浮现这样的画面:

  但这并不是声波的传播方式,像这个样子的波被称为横波,横波的每个粒子上下移动形成类似于蛇爬行的蜿蜒形状。 

  事实上,声波更加像蚯蚓爬行的情形。

  像蚯蚓一样通过不断压缩和舒张而移动的波被称为纵波。两种形式的波都可以在弹簧中传播:

声音由一些物质产生的纵波开始,就像这样声音由一些物质产生的纵波开始,就像这样

  以上模型就描述了声音的传播方式(当然,真实的声音并不是由振动的球体来描述的)。在这个动画中,声音由左边振动的灰色棒生成,这个棒可以是声带,吉他的弦,也可以是持续倾倒到河流中的瀑布。通过观察红点,可以看出,虽然波在向一个方向移动,但是每个独立的粒子都在模仿着灰色的棒在来回移动。

  所以,声音是一种在正常压强周围上下波动的压力波,而不是弯曲的蛇形波。所以当你看到声波的蛇形图示时,其只代表着压力的大小,而不是粒子的真实路径。

  声波不仅仅能通过空气传播,还能通过液体和固体传播——在地震中发生的大部分震动都是由于巨大的声波在地球上的传播引起的(这种情况下,断层的运动就像上述动画中灰色和红色的条一样)。

  怎么判断声速的大小呢?这依赖于在给定的介质中压力波的传播速度,像空气一样流动性更强的介质是高度可压缩的,所以波传播很慢,水可压缩性差,从而能更少地阻碍波的减速,因此波速更快。就像两个人之间伸着一条弹簧一样,一个人在弹簧的一端推向另一个人时,要过段时间另一个人才能觉察到这股力,但是,如果两个人拿的是一个扫帚柄的话,一个人推动的话,另一个人立马就能感受到,因为扫帚柄是难以压缩的。(在此例中,空气可以对比弹簧,水可以对比扫帚柄)

  所以声音在空气中的传播速度大概是其在水中传播速度大小的四分之一,而在水中的传播速度只是在在固体中(比如说铁)传播速度的四分之一。

  回到我们自身的听力来说。耳朵可以说是一种进化的创新,它能够使我们记录周围的声音并将其转变为信息——如果没有耳朵,对人类来说,大多数声波是难以觉察到的,只有部分最为响亮的声音会反映为我们皮肤上的振动。耳朵赋予了我们一种神奇的能力,其能够以非常细微的方式感受到微小的声音,并告诉我们声音的位置和它的含义,使我们能够相互交流。人类之间的交流最主要的形式为:我们的大脑通过复杂的空气压模式向另一个大脑发送信息。这是多么地不可思议啊!

  下次你与朋友交谈的时候,你可以停下来思考一下整个过程。你的大脑有一个想法,并将它转变为一个压力波的模式,然后你的肺部将这部分空气从你的身体发出,同时,你的声带振动,嘴巴和舌头通过正确的移动方式配合这部分空气的移动过程。空气中嵌入了高低压模块。携带“编码”的空气扩散到空气中,其中的一部分会到达你朋友的耳朵中,通过他们的鼓膜,然后鼓膜振动,传递你发声的位置和说话的音调。鼓膜的振动通过三个微小的骨头传递到一个小的液体囊中,然后将信息变为电脉冲传送到听觉神经网络中然后到大脑,在那里信息被解码。所有的这些过程发生在八分之一秒内,期间,不需要你们两个人做任何工作。谈话真的是一个不可思议的奇迹。

  无论如何,耳朵可以分辨出声音的很多特性,但其中两个最基本的是特性是:音高和音量。

  音高

  音高(pitch)与压力波之间的间隔有关。

figure 1。音高示意图figure 1。音高示意图

  波长越短,音高越高。人类能够听到的频率为20Hz-20,000Hz。随着年龄增长,你将会失去听到最高音的能力,所以当你听接近20,000Hz的频率时,大多数人可能会听不到任何声音。但是,你会更加轻松地听到这个范围的最低部分。你能听到或者感受到声音的原因,比如说就像音乐中的低音部分,是因为波长很长,其需要1/20s的时间才能让整个波经过你的身体(因此为20Hz)。

  音量

  声音的音量(loudness)取决于压力波的振幅。

  在图1中,高低音的音量相同,这是因为图下面的压力曲线在垂直方向有着相同的大小。较大的声音在高低压之间的振荡更加剧烈——即更大的声音比安静的声音的有着更高的高压和更低的低压。

  对于地球表面空气中的声音,高低压的平均值就是我们正常的大气压——称作1个大气压。所以,声波可能由一个1.0001的高压分量和0.9999的低压分量组成,比之更高的声音可能是由1.01的高压和0.99的低压组成——虽然在这两种情况下,其平均值都是1个大气压。

  我们经常使用“分贝”作为单位来测量音量(以Alexander Graham Bell命名)。分贝的定义比较复杂,有兴趣的筒子们可以参照相应的资料,这里不多叙述。我们这里谈谈如何利用分贝测量声音。

  音量极小值非常小。最微弱的声音比任何人类能够听到的声音都要轻——甚至比我们最好的仪器能够检测的最小值还要小。但是,根据你所处的位置,声音也有其最大值。这种情况的原因主要是由于声音本身不是物质——它是通过媒介传播的压力波。而且,正如前面提到的,声波的高压和低压的平均值是介质的正常压力。音量受限于其最低压只能到零压——即真空。由于低压不能再低,因此在给定的条件下,声波的最大振幅取决于其声音的最大值。

  关于分贝(dB)的便利之处在于,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”。科学家们一直在致力于研究远低于负分贝的声音,其在地球上人造的环境中可以检测出-9.4dB的声音——环境安静到可以听到人体血液流经你大脑的声音——但我们只能听到正音贝的声音。地球上可能存在的最大的声音是194dB——这是当声波的振幅非常剧烈且其低压部分是完美的真空(波在正常气压的两倍和真空之间交替),从寂静开始,可以看看整个声音的尺度。

  (关于分贝单位要记住的一点是每增加10dB,其音量就增加一倍。所以20dB是10dB音量的两倍,30dB是10dB音量的四倍,80dB是10dB音量的128倍。)

  标度在194dB的大小处停止,因为地球上不存在超过这个音量的声音。但是我们可以通过两种方式来超越这个值。

  冲击波

  当能量足够大时,其将超越194dB的限制,虽然其最低压已经到达了绝对真空的零压,但其高压会让声音超过194dB。

  在194dB时,波的峰值在正常压的两倍和真空之间交替出现——但是一旦达到195dB,能量不能在空气中传播并将空气向外推开而在中心区域形成真空。超过194dB的分贝越多,真空泡到达的地方越远,影响越大。其以快速增长的半球形式向外扩散。

  这个真空泡的边缘是一个超压缩气体(super-compressed gas)组成的的边界,当这个边界扫过陆地时,其会扫平途径的任何东西。

  随着真空泡的扩张,其能量逐渐减小直至消失。但是,如果你在此之前遭遇到冲击波时,那绝对不会是一段美好的体验。原因有三:第一,撞到超压缩气体的边界就像撞到砖砌成的墙一样。第二,压缩气体很热。第三,它不仅会撞击你全身的部位,还会穿过你的身体,如果能量足够大,还会把你的骨头变成粉末,把你的器官变成汤。

  这里有一些音量超过194dB的典型事件:

  土星五号(Saturn V)发射:土星五号的发射状况就像一匹野兽一样,其发射产生的冲击波强烈到能够点燃一英里范围内的草地。甚至在三英里远探测器还能检测到135dB的声波。火箭发射产生了如此强烈的声波,因此当火箭发射时,空间发射机构往往将发射台放在水中以吸收其产生的声波从而保护火箭不被声压破坏。 

  广岛和长崎爆炸:根据资料,其声波强度超过了200dB。冲击波大到在30秒中传播了11km。

  1883年喀拉喀托(Krakatoa)火山爆发:喀拉喀托火山的事情足够令人震撼,且与大家细说。

  喀拉喀托是印度尼西亚的一个岛屿,在1883年8月27日火山爆发。

  火山爆发彻底摧毁了这座岛屿,以每秒0.4km的速度将巨大碎片送入17英里(27km)高的天空。它也造成了历史上最致命和最深远的海啸之一,据统计,火山爆发中36,000人遇害。

  但是关于火山爆发的最令人惊奇的是它的声音,它可以说是现代历史上地球上最响亮的声音。

  声音非常大,以至于足以使40英里以外的水手的耳膜破裂。

  100英里之外,声音仍然可以达到172分贝,足以永久性地摧毁某些人的耳朵,甚至杀死他们。

  无论你身在何处,想想一个距离大约100英里(161公里)的地方,发生了某些事情导致你所在的地方产生了非常巨大的声音,这声音比你用最大的声音直接向别人耳朵喊的声音还要大很多。作为对比,火星五号发射时在100米远声音大小是170dB,而喀拉喀托爆发时在100英里外声音强度比170dB还高。

  声音使300英里(483公里)外的一英尺厚的混凝土墙破裂。

  声音传遍了整个澳大利亚(听起来像远处炮弹发射的声音),甚至远在3000英里外的罗德里格斯岛还能听到。想象一下,如果在加利福尼亚或欧洲发生的事情,在纽约可以听到。

  声波远远超出人类听觉范围后,全世界的气压计在接下来的几天都会发狂,因为声波在地球上空盘旋了3.5次。

  最后,你知道有名的画作The Scream吗?你知道里面的天空为什么是红色的吗?是因为画家爱德华·蒙克(Edvard Munch)在喀拉喀托火山喷发后的一年看到了整个西半球由其引起的红色天空,因此受到启发。

  这真是一场大爆发。

  其他媒介 

  有比194dB更高的声音——只是不在地球表面上。可能在海洋、在陆地或者其他行星上。比如说,我们太阳系中某处有着比地球中更加致密的大气,其允许更高的压力波振幅,还有更加令人难以置信的强风和强风暴,那里有很多的机会制造更大的声音。

  太空中基本都是安静的。你可能听到过这句话:声音不能在真空中传播。现在这个可以理解了,声音是物质产生的压力波,如果没有物质的话,就没有声音。虽然其可能会有巨大的热量、辐射以及力,但是对于近距离观察的人类来说,所有的一切都是死寂的。

  如果,假设宇宙中充满了空气,所有的物体都会发出声音(忽略超新星声音的概念——因为仅是安静的太阳都会产生290dB的声音)。根据一个太阳物理学家的说法,这意味着在地球上,无论什么时候,无论在哪里,我们都会听到100dB(大概是摩托车音量)的声音。所以说声音不在真空中传播是一件多么幸运的事情。

  原文来源:https://waitbutwhy.com/2016/03/sound.html

冲击波声音最大
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