千变万化的声波

千变万化的声波

声音是靠介质来传播的。声源发生振动以后，就引起了它周围的介质发生相应的振动，最后，以声波的形式向四面八方传播。

声波的传播形式是千变万化的。

向平静的水面投一块石子，就能激起涟漪，并引起一圈圈的水波不断向外传播。水面上漂浮的树叶会随着水波的到来上下起伏，却不会漂走。如果在绳子上穿上一个小纸片，你抖动绳子，那纸片只会跟着上下波动，而不会随波往上游动。这证明，机械波传播的是振动和振动的能量，而不是物质本身。

振动在它周围物体中的传播叫做波。一切波都是由振动引起的。最初振动的那一点，是波的起源，叫做波源，也叫振源。

按照介质中质点的振动方向和波的传播方向之间的关系，把波分为横波和纵波。质点的振动方向与波的传播方向相垂直的叫横波，质点的振动方向与波的传播方向相同的叫纵波。

让我们来做一个简单的实验，判断波的传播方向。

在墙上的钉子上拴住一根绳子，用手抖动它，这时绳子的质点上下振动，绳上的波沿水平方向向前传播，而振动的方向却和波的传播方向垂直，是横波。再把弹簧的一端固定在墙上，用一只手提起另一端，轻轻一推。弹簧圈一疏一密地向墙壁运动了。这时，弹簧上的每个点振动的方向和波的传播方向是相同的，是纵波。

在抖绳子的实验中，我们还会看到相邻的凸起之间有一个凹下去的部分。那凸起的部分叫波峰，凹下去的部分叫波谷。两个相邻波峰中点之间(或两个相邻波谷中点之间)的距离，就叫一个波长。

纵波的波长是指2个相邻密部中心之间(或者两个相邻疏部中心之间)的距离。

波传播的速度叫波速。

那么，浩瀚的海洋世界又是如何呢?

碧波万顷、表面平静的大海下面可是一个喧闹的世界。科学家们把类似话筒的水听筒放到大海里，坐在船上可以听到各种各样的声音。

“叽叽”，“叽叽”，鸟儿怎么跑到了海水下?原来，那是小青鱼的歌声;“咚咚”，“咚咚”，谁在敲小鼓?不，那是驼背鳟鱼在寻找同类……从示波器上还可以看出，海底不但有声波，还有次声波和超声波。

鱼类的声音并不是从喉咙里发出的，它们没有声带。鱼类发声主要靠鱼鳔的振动或者靠牙齿、鳍条、骨头的摩擦。鱼声往往是鱼类求偶或集群的信号。渔民们发现，领头鱼发出一声呼唤，众鱼就会靠拢过来。

渔民们也正是利用声音来诱捕鱼的。他们在渔船上敲敲，大黄鱼听到鼓声就会靠拢过来。现在科学家们正在研究各种有效的“唤鱼器”，一按电钮，某种鱼群就会招之即来。

固体传声又有什么特点呢?19世纪的科学家经过研究，首先发现了表面声波。

1885年，著名的英国物理学家瑞利在理论上指出，声波在固体表面传播时，会出现一种奇妙的表面声波。表面声波是在固体表面上传播的声波，它既不同于横波，也不同于纵波，而是两者的合成。

1990年，英国地震学家根据地震仪获得的记录，证实地震时地表面确实存在这种奇异的波，并且把它命名为瑞利波。表面声波有许多种，瑞利波只是表面声波的一种模式。

尽管人类对声波的研究已经有几百年的历史，表面声波技术却是最近几十年才兴起的。1965年，美国科学家怀特发明了一种仪器叫“叉指换能器”。这种仪器可以使电信号产生表面声波，也能使表面声波产生电信号。从此，表面声波技术就在广播电视、通讯、雷达、电子计算机等各项技术中大显身手了。

声波的传播有一个过程。如，我们把左耳朵贴在铁轨上，当你左耳听到传来的轰轰声时，右耳什么声音也没听到。你站起来好一段时间后，才听到远处火车的轰鸣声。

第一次测定声音在空气中的传播速度是1738年进行的。几位法国科学家把2门大炮架在相距27千米的两个山头上。甲山头上放炮时，乙山头上的人测量出从看见炮的火光到听到炮声所经历的时间。乙山头上放炮时，甲山头上的人用同样的方法测量时间。实验结果是，从甲到乙和从乙到甲的声速都是一样的，是337米/秒。

后来又做了许多次实验，证明声波在空气里的速度和声音本身没有关系。炮声和叫声，高音和低音，声速都是一样的。但是，空气温度不同，声速就有变化了。－30℃时声速为313米/秒，100℃时声速386米/秒。温度越高，声速越大。大约气温每升高1℃，声音速度就要增加0.6米/秒。在20℃的空气里，声波的速度是344米/秒，现在常说的声速就是指这个速度。

精确的实验还证明，各种气体中的声速是不同的。在同样状态下，气温为0℃时，二氧化碳中的声速是259米/秒，氢气中的声速是1284米/秒，氧气中的声速是316米/秒，水蒸气中的声速是494米/秒。

掌握了声速的规律，就可以用它来计算距离了。有经验的战士，能根据炮火的火光和声响来估计出大炮的距离。

声波在不同介质里的速度是不同的，声波在不同介质里传播时衰减的情况也是不同的。

第一次测定声音在水中的传播速度，是1827年在瑞士日内瓦湖上进行的。在一只船上，实验员向水里放下一个钟，敲钟时，使船上的火药同时发光;在另一只船上，另一实验员向水里放下一个听音器，他测量从看到火药的闪光到听见钟声所经过的时间。根据两船间的距离就可以求出水中的声速是1450米/秒。这个速度大约是空气中声速的4倍。

人们经过反复测试，还发现水中声速也受温度影响。温度每升高1℃，水中声速大约增加4.6米/秒。一般情况下，海水中的声速是1500米/秒，约是大气中声速的4.5倍。

各种液体中的声速也不尽相同。在20℃时，纯水中的声速是1482.9米/秒;水银中的声速是1451米/秒;甘油中的声速是1923米/秒;酒精中的声速是1168米/秒;四氯化碳液体中的声速是935米/秒。由此可见，声音在液体中传播大都比在大气中传播快得多，这与液体中的分子比较紧密有关。

科学家们经过反复测定发现，声波在固体中用纵波和横波两种形式传播，这两种波的波速也不相同。例如:在不锈钢中，纵波速度是5790米/秒，横波速度是5000米/秒。在用铍做成的棒内，声波的纵波速度达到12890米/秒，是大气声速的38倍。

声波传播不论快慢，在遇到障碍物时，都会发生反射，反射时遵守一定的规律。这一规律被广泛地应用于医学、科技、军事等方面，特别是为建筑学解决了不少难题，带来了奇特的艺术效果。

如天坛回音壁，就是巧用声音凹面反射的建筑艺术品。

还有这么一个历史故事。一个听觉不好的国王总是听不清大臣的上奏。后来有位工匠献了一张图，说只要照着这张图来盖一座新王宫，国王坐在宝座上就能听清站在远处的大臣的说话声。国王按照他的图纸修建了新王宫，果然听清了大臣的上奏。

与这个故事同用一个原理的还有英国伦敦的圣保罗大教堂，它也是采用了聚声技术。在教堂里，不论在哪里轻轻说话，远处的人都能听清。

声波的反射还能产生一种混响的效果。我国建筑学家根据这个原理，巧妙地使人民大会堂具有极佳的音响效果。