什么是声——无所不在的声波:声音是怎样传播的(5)

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所属分类:音频杂谈

为什么有时声音传得远,有时传不远

声的折射人很早就发现有时声传得很远,远处声音、歌声、音乐声都可以听得很清楚。有时声音又传不远。同样一个地区,怎么会有这种现象呢?英国声学家田大里在19世纪末就做了大量的实验,观察到了许多传播现象中的不易理解的地方,但他还没有弄清这个现象的根本原因。现在这个现象的原因已完全清楚了,就是我们周围的空气并不是上下一致的。随着高度的增加,有时气温逐渐增加,有时逐渐降低。在这种情况下我们遇到的是介质随高度逐渐变化,这种情况引起声的折射。前面一段我们说的是两种介质声速与密度有截然差别的情况。如果介质的情况只是慢慢的变化。例如在白天地面被晒热,最接近地面的空气温度愈高,高度愈大,温度愈低,声速也是愈近地面愈高,离地面愈远,声速愈低;夜间则反过来,地面先冷却,离地面愈近的空气温度愈低,声速也愈低,离地面愈远(愈高)的空气温度愈高,声速也愈高。但声速是逐步变化,这样可以忽略一层一层之间的反射,而认为声波是完全穿透的,但是声波传播的方向却由砖介质声速逐步变化,产生逐步折射,也就是声波在各种逐步变化的介质中传播时声线是弯曲的。声波逐步弯曲的规律,仍然服从著名的斯奈尔定律。

如果在夏季的白天,空气中的声速随高度增加而减小,则以一小掠角(与地面形成的角度)出发的声线,一面向前传播一面弯曲向上,最后变成垂直向上,而传人空中,以更大的掠角出发的声线,就以更快的速度弯曲向上。虽然是响彻云端,但在地面上的人只要距离远些,声音就听不见了。而在晚上,特别是在湖面和江面上,水面比较冷,靠近水面的空气也比较冷,声速较低,离地面愈高,声速愈大。这样,以比较大的掠角向上射出的声线,不断弯曲,并向前传播,声线仰角由向上变成较小,变平最后弯曲向下,经地面或水面反射,再向上传播;由于水面反射很好,声能损失很小,所以声波可以传得很远.这就是杜甫观察到的“锦城丝管日纷纷,半人江风半人云”的情况了。这种折射在声波在大气中和海洋中的传播都很重要。在大气和海中还会形成波导,也就是在某一高度(或深度)声速最低,从这高度向上或向下,声速都逐渐增加。这样,如果声源处在声速最低的高度(或深度),那么向上以某一角度出射的声线,在向前传播时掠角会愈来愈小,变成水平,然后弯曲向下,穿过声速最低的高度,然后掠角愈变愈小,变成水平,再弯曲向上,穿过声速最低的高度(或深度)…。从声速最低的高度向下出射的声线的前进方式则是向下,掠角变小,变平,向上,穿过声速最低点,向上,掠角变小,变平,向下,穿过声速最低点……。这样,声线围绕声速最低的高度(或深度)上下来往并向前传播,不碰到任何界面,不经受反射损失,能且可以传得很远。这问题我们在海洋声学和大气声学中还要详细讨论。转自耳聆网

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