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02 声音的本质 The Nature of Sound（第1页）

02声音的本质TheNatureofSound

声音的两面

森林里有一棵树倒了，但倒地声没有被人听见，这算是发出了声音吗？“声音”既是一种物理现象，又是一种感觉，这种双重意义给了刚刚的问题一个明确的答案——树倒的时候发出了、也没发出声音。声音的物理和感官方面的关系是复杂的，因为声音给我们留下的许多印象与它的物理参数有关，但又不能仅仅简化为物理参数。比如，高频音通常听起来音调更高，更大的声音听起来也更响亮。此外，从警报声到风笛声，从摇篮曲到狮子的吼叫声，许多声音对我们产生了情感上的影响，而这些影响与它们物理参数之间的关系却非常模糊。

声音在物理方面远比在情感方面更容易被人理解，所以我们将从物理学开始讲起。

压力波

声音通常是由物体的循环运动发出的，比如：扬声器的膜片不断地跳动，声带之间的间隙时而缩小时而扩大，或者吉他弦来回振动。正是这些运动向周围介质（固体、**或气体）的传播及其在介质中的传播过程构成了声音。在某些情况下，运动的就是介质本身，比如有人在瓶口上方吹气时瓶颈里的空气就是如此。非运动源包括突然释放的热能（如爆炸或火花）和快速振**的热源。

当扬声器的膜片运动时，膜片产生的声波具有和电信号相同的变化规律。每当膜片向外移动时，它同步挤压前面的空气分子，使它们彼此靠近，从而形成一个高压区。这些分子接着对邻近的分子施加压力，使它们也依次靠得更近，因此一个紧密结合的分子形成脉冲（压缩波）穿过介质，接着，又因为膜片向内运动而产生一个低压区（稀疏波）。

然后膜片再次向外移动，产生第二个脉冲。膜片在1秒内由内向外移动的频率决定了声波的频率（单位是赫兹，缩写为Hz）。最简单的声波就是纯音，例如音叉发出的声音。空气压力随音叉距离变化的波形是一个正弦波，波的瞬时形状如图1所示。

图1　声波压力示意图

相邻的两个波峰（或波谷）之间的距离定义为声波波长（λ）。声音以速度v在空气中传播，在室温下速度约为每秒340米。频率（f）由方程f=vλ给出。空间中某一质点的压力随时间变化的曲线图也是一个正弦波，所以我们其实也可以将图1的横轴标记为“时间”。

类似图1这样的图像十分常见，而且通过这样的图像我们很容易想象出声波的某种可视图，事实上许多书就是以这种方式来使用这些图像的。然而，实际上，声波不像海浪那样有上下（横向）运动，唯一的运动是分子交替地从声源向外或向声源运动，就像牛顿摆[1]里的球一样。这种波被称为纵波，如果我们能看到空气分子的话，它们看起来就如图2所示的样子。

图2　从分子角度看声波

如果连续的声音起源于一个点，那么它就会像膨胀的球体一样向四面八方传播。如果探测区域很小（如麦克风隔膜或鼓膜），距离声源只有几米远，那么声球的曲率可以忽略不计，此时声音以平面波的形式传播。即使声源有一个特定的方向（就像大多数扬声器一样），只要膜片厚度大于声音的波长，声音仍然会以球状形式传播。而波长短的声音在一定程度上保持其原始方向，在足够高的频率下它就可以形成声波束（我们将会在第6章谈到）。

声音的载体

声速只取决于介质的弹性和密度（见第1章）。在空气中，声速随湿度和温度的增加而增大[2]，但这仅仅是由于这些因素引起了空气密度的变化。表1给出了声音在一些介质中的传播速度。

表1　不同介质和条件下的声速

由于空气中的声速随着温度的升高而增加，而在白天，海拔较高处的空气比近地面处的空气温度高，所以高处声音传播的速度也更快一些。这种速度的增加使声音在较热的空气中向下弯曲（折射），并在一定距离内返回地面，如图3所示。由于折射效应，有时声音在很远的地方比在近的地方听得更清楚。

图3　当离地面较近的空气比较高的空气温度低时声音的传播

折射也解释了为什么在迎风情况下人们很难听见声音。在迎风情况下，风会使声波的传播速度稍微变慢一些，越往高处风速越快，声波速度降低得就更多一些，所以离地几米高处的声波的传播速度相对来说要更慢一些。声音从低速区域折射到高速区域，因此声波将远离地面和人的耳朵，朝上方传播（见图4）。

图4　芭芭拉可以听到艾伦的声音，但听不到克里夫的声音

无论怎么操作膜片，我们都无法使声音在膜片周围的空气中传播得更快。振动越快，产生的压力脉冲就越接近，它们到达某处（比如说鼓膜）时的频率就越高。也就是说，声音的频率会上升。如果一个人试图通过加快膜片向内和向外移动的距离来更用力地推动空气，那么脉冲中的压缩量和稀薄度就会增加，从而导致声压更高，听起来声音也就更大。如果我们强行让膜片的运动速度超过介质中的声速，那么在下一个脉冲形成时，前一个脉冲还没有来得及离开膜片，因此，它们就堆积成一个单一的、被称为冲击波的极高压脉冲，这也是音爆和响鞭声的成因。

快速地移动膜片并不是唯一可以用来增加声音频率的方法。如果扬声器（或其他声源）迅速接近你或你迅速接近它，压力脉冲就会以更高的频率到达你的耳朵，因为每一个脉冲都比它前面的脉冲在离你更近的地方开始向你传播，从而导致声音的频率上升。而当声源从你身边经过后，脉冲就会以更长的间隔到达你的耳朵，因为每一次脉冲的传播距离都比前一次要长，相应地，频率也会因此下降。这就是著名的多普勒效应。当你身边开过一辆超速的摩托车或当你听到跟在摩托车后面呼啸而过的警车的鸣笛时，就会注意到多普勒效应（见框2）。

与光类似，如果反射表面光滑且坚硬，声音就像光从镜面反射一样能够反射形成一个声源的像。所以如果你位于声源和反射表面正中间的某个地方，你从两侧听到的声音是差不多的（反射的一侧声音会稍小些）。当然，“光滑”是一个相对的概念，它意味着“表面凸起的大小比波长的长度小”。由于3千赫的声波波长比黄色光的波长要长100万倍，所以即便是粗糙如混凝土一般的表面也可以成为很好的声波反射镜。凹面声波反射镜能将反射的声音聚焦。例如，在第一次世界大战期间，英国南部海岸建造了这种凹面混凝土声波反射镜，将飞机靠近时的声音聚焦到正在监听的士兵耳朵里。当声音在两个或两个以上的曲面反射器之间回响时，可能会产生一个耳语廊[3]，就像伦敦圣保罗大教堂的长廊一样。

声音能在任何两种介质之间产生界面反射，无论是在空气和混凝土、水和空气，还是地球上不同的岩层之间。反射声音的多少取决于两种介质声阻抗的差值，而声阻抗又取决于介质的密度和声速。声阻抗（见框3）与电阻相似，它测量的是声音在介质中传播的困难程度。它是声音诸多应用的关键。例如，软橡胶表面会吸收声音并将其转化为热量，因为软橡胶具有极高的声阻抗，潜艇上的隐形涂料就是利用了这一原理。但糟糕的是，橡胶的柔软程度与温度有关，所以，在20世纪80年代末，冷战时期的潜艇从北大西洋重新部署到海湾时，由于水温随地域变化而逐渐升高，使得潜艇无处遁形，从而引发了一系列相关研究的热潮。

声音可以通过声透镜聚焦。声透镜通常由丙烯酸塑料制成，其工作原理是当波从一种介质传播到另一种介质时，只要它以一定角度入射介质之间的界面，就会发生折射。声波被折射的角度取决于它在两种介质中的速度之比，这就是斯涅尔定律（见框4）。

通常，声音比光更受关注的一个效应是声音能够在墙角和墙壁上弯曲，并在穿过一个开口后扩散开来，这种现象被称为衍射或散射（见图5）。

图5　衍射

波长越长，弯曲程度就越大。所以如果在声源（比如说一个乐队）和听者之间建一堵高墙，低音可以通过衍射效应绕过高墙返回地面，而高音则不能被听到（见图6）。这种消声效果对帮助我们评估户外常见声源的距离而言，是非常有用的线索。

图6　不同波长产生的衍射

当光线落在一系列间隔约为单个波长的平行线、条纹或凸起之上时，它就会发生衍射现象。由于波长较短的光将产生更大角度的衍射，这样的衍射光栅就会把白光分解成它的组成色，例如CD的背面就是通过这种方式将阳光衍射成彩虹色。由于纯音是一系列压力增加的有规则的“条纹”，它也可以充当衍射光栅，通过这个光栅散射的光波，长度约等于条纹之间的距离（该距离是声音波长的一半）。通常这里涉及的介质是晶体固体，如熔融石英。这种声光效应，即利用声波散射光，在水下和空气中都可被用作非摄动测量和成像工具（见图7）。

图7　声光效应