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梅乐芝经理的科普文章(十)

5.深海中没有光线,视力无效。鲸鱼就通过制造机械波来通信。即便在浅海,光线传播距离很有限,海豚等哺乳类动物采用机械波来通信。在河流中,江豚类也同样如此。现代大量船舶行驶,螺旋桨制造很大的机械波干扰,导致这些动物通信失败或错误。

6.正常情况下,波传播中,物质不改变自身位置。如果能量非常大,则位置甚至物质本身都会发生改变。这时波不仅是扰动传播,而且是破坏性传播。人类利用这点制造了武器。大自然的武器就是大地震,地震波中的纵波作用时,人和房屋左右抖动,房屋通常是上下结构承受力强,而侧向承受力弱。这种情况下房屋很容易倒塌。当地震波抵达时,如果烟囱的高度刚好是地震纵波波长的一半,则很容易半腰折断,为什么?

7.登山时,遇到很宽广的山峰侧壁,可以大吼听回音雪山严禁,可能引起雪崩。汉尼拔远征,在阿尔卑斯山损失大量步兵和战象。建筑的墙壁和回廊也有类似效果。在特定的建筑里,可以听到远处人的说话,俗称回音壁中国古代寺庙大量存在。奥匈帝国女王特雷西亚的宫殿里,存在这样的窃听结构。足球比赛时,节目录制组也有类似的接收远处声音的装置,很像卫星天线的锅盖。

空气密度很低,分子稀疏,间距很大。但也可以传播机械波。通常我们称空气中的机械波为声波,以我们的机械波接收器耳朵为基准。但固体、液体中的也都可以称为声波。可以通过一些设备,接收液体和固体中的机械波,并转入空气中,让我们的接收器可以工作。

波传播路径中,物体的振动逐渐减弱。减弱有两种方式:1.自然减弱,比如水表面波的传播,随着距离增加,波的起伏变低。因为能量越来越分散。2.损耗,在传播中,很多物质弹性较差,传递扰动的能力很低,能量多数都转换为热量。

多个扰动源产生的波,在传播途中相遇,则每个波都发挥各自的扰动能力。如果扰动刚好同方向,则扰动总和累加,导致此处物体振动大幅度增加。如果扰动刚好反方向,则扰动总和抵消,此处物体振动幅度减小。这种现象称为波的干涉。

思考:

1.二次世界大战中,大西洋中的潜水艇作用巨大。水面舰船探测潜水艇就需要使用声纳。声纳就是大喇叭,在水里面发射声音。声波碰到潜水艇就反射回去,接收装置检测回波,判断是否存在大型移动对象。潜水艇通常是被动接受声音,一般是发动机噪声或螺旋桨噪声,根据声音的特征来判断是否为攻击目标。上世纪八十年代初发生东芝事件,就是潜水艇螺旋桨噪声引发的。

2.石子丢入水中,表面形成波是和在水中传播的声波不同,扰动源发起后,水被排开,由于水不可压缩,所以水被挤的高出水面,形成波峰。对于某个水柱,当水柱升高时,水柱变窄,水柱下降时,水柱变宽。当水表面浪的高度上升时,势能增加,则下降后的动能也增加,对前进方向水的冲击力增加,也就意味着表面波的速度增加。也就是说表面波的速度由水波纹的高度决定。当水的深度远大于波长时,水面升高变成波峰,体积增加,所增加的水是由波谷部分补充过来的。此时水不仅是上下运动,还存在传播方向上的前后运动。此时水面某点的整体运动就在传播方向上做圆周运动。当此点在圆周的顶点时,水面处于波峰状态,当此点在圆周底点时,水面处于波谷状态。此时波速取决于波长或圆周运动的速度,波长越长,圆周运动越慢,波速越快。当水较深时,表面波对深水完全没有影响。在水下拍摄的记录影视中可以看到,海面巨浪滔天,水下波澜不惊。

3.而声音在空气或水中传播时,都是纵波,没有横波。横波仅在固体中存在,固体的结构紧密,横向的振动因材料的连续性得以持续。纵波在流体中传播时,流体的压强在某个值附近变动,相当于这些流体在压缩和膨胀状态之间来回变动。这种状态只能在压缩或膨胀的方向上延续,所以流体中横波无法存在。同样频率的声波,在空气、水、固体中速度不同,因为这些物质压缩弹性不同。同时因流体的特点,压强、温度不同,波速也不同。当中流体中声明波速时,都必须说明对应的压强和温度。海平面0℃时,空气音速是331m/s。水中的音速大约是空气中的4.3倍。钢铁中的音速大约是空气中的15倍。

4.现代城市的污染很多,房屋修建和装修时就要考虑噪声污染的消除。1.吸收:噪声源在室内,无法直接消除噪声源时,室内墙壁的涂料就可以选用声波转换热量效率高的材料,起到吸音效果,这样噪声中室内很快就衰减下去。如果是音乐厅,需要回音效果时,部分墙壁的涂料就要必须是声音反射率高,不能吸收声音。2.隔离:噪声源在室外时,采用双层玻璃窗户,声音经过透过双层玻璃的能量很少,隔音效果好。当然一层玻璃效果也很明显,只要窗户的密闭性好。3.降低源强度:直接对噪声源进行处理,降低噪声源扰动源的能量强度,降低其功率,典型的应用就是摩托车消音排气管、消声武器。发动机的高压热气直接进入大气,在气管的出口,能量瞬间释放,功率很大,造成很大的噪声。摩托车消音管是较原发动机排气管粗的气管,发动机高压热气进入后,空间突然变大,此刻产生的声音约束在消音管内,被消音管内其他结构吸收降低。进入消音管的高压热气此时压力降低,温度降低,离开消音管进入大气时,能量已经比较低,产生的噪声就小多了。手枪可以加装消音、器,消音原理类似,就是让枪膛高压气体相对缓慢的速度膨胀,降低枪声。由于子弹的速度非常快,实际消音、器并不能完全消除声音,除非是非常小口径的子弹。其最大作用是降低开枪者的耳朵负担,在消除枪口火焰方面也非常有效。按照能量的角度描述,就是体积突然膨胀,导致势能增加,能量守恒,所以动能降低=分子运动速度降低=温度降低。这种方法同时也是制造超低温的方法。让低温气体突然膨胀,导致温度进一步降低,反复进行这一过程。

5.二次世界大战末期,德国潜水艇有了新的装备,使得这些潜水艇从没有被盟军探测到。这种装备是橡胶板,装配在潜水艇外壳上,板上有按照特定间隔排列的小孔阵列。声音声纳发射产生抵达潜水艇表面后,这些阵列使得反射声音相互之间抵消,极大地降低了反射声音,使得探测器无法得到回音,避免被发现。室内装修材料板,也可以采用这种方式降低声音在室内的来回反射,消除噪声。观察电影院的墙壁,是否存在这样布满小孔的板材?

6.以上介绍的是声音消除的被动方法。声音还可以主动抵消。使用麦克风接收声音,转换为电信号,对其进行处理,再转换为声音,此时的声音和原始声音刚刚好完全错位,振动相互基本抵消。这样就实现主动对消。应用于婴儿看护。在婴儿头部放置一副很大的耳机,离婴儿耳朵有一定距离,里面放出处理后的声音,和外界噪声对消。

7.当多个扰动源存在时,如果扰动源的频率相同,则产生的波频率相同,这些波在干涉时,很可能在某处出现多数波累加的情况,造成某点扰动能量非常大。军队过桥时,如果按照口令有节奏地齐步行走,很容易产生累加效果,当累加点位于桥的薄弱点时,可能会对桥产生破坏。所以过桥时都要便步走,令各个扰动源的频率不同。

8.人耳可以听到各种声音,但无法听到全部声音。2020KHz是人耳可以听到的频率范围。低于20Hz的声音,称为次声波。高于20KHz的称为超声波。那些使用主动声纳的生物,比如海豚和蝙蝠,其耳朵可以听到100KHz的声音。另外人的耳膜和外耳道是垂直的,这也说明声音是纵波。假设是横波的话,无法耳膜产生振动!

9.超过20KHz的声音,对人耳无影响。效果对人而言就是安静。因此广泛使用。眼镜店里面有洗眼镜的机器,将眼镜置于水中,使用超声波清洗。这种高频率的液体震荡,可有效清理表面附着的各种杂物。牙齿清洁,也可使用超声波。体外碎石胆结石,同样使用超声波。但最普及的则是B超,超声波进入人体,因不同组织的弹性不同,反射回的超声波在不同位置压强不同,反向演算后就可以得到人体弹性分布图,就是人体内部器官分布情况。超声的波长短,机械波衰减是以波长为单位比例进行衰减的,所以衰减快。扩散也是按照波长的比例进行,所以方向性好,容易形成声音束。蝙蝠和海豚,都使用超声波作为雷达探测信号,定位准确。大功率的超声波还是武器,可以击晕猎物。

10.低于20Hz的声音,波长很长,衰减很慢,很容易衍射,所以没有什么可以阻挡次声波。次声波的振动对人体内脏有强烈的破坏作用,因此可制造次声波武器,但难以控制方向。

11.人的发音依靠声带。发出的波长和声带的长度相关。人的发音是多种频率声音的混合,其中含量最高的可以称为基音。其他频率的含量比例不同,听起来的效果不同。男子声带长,所以基音波长较长,频率低,女子声带短,基音频率高。我们说某人唱歌音色好,就是声音中不同频率含量的比例适合我们欣赏的口味。说某人音域宽广,就是声带经过控制,可以发出不同基音的声音,而且基音的频率相差较大。唱歌时,声音可以在腹腔、胸腔、口腔、颅腔进行回音,增加声音的延续和音量,改善音色。技巧的好坏,或者是天赋的好坏,就体现在实现回音的难易程度上。唱歌就像说话一样轻松,天赋好。需要提气叉腰,天赋差。现代歌曲伴奏多,去掉这些伴奏,听歌手清唱,就知道唱的真正效果。

12.脊椎动物感受声音的器官和人类似,并且有外耳廓对声音进行收集,增强听觉效果。耳廓的因生存环境的变化而变化,可能变大蝙蝠、变小北极熊甚至消失鲸鱼。昆虫身体的膜也起收集空气振动的效果,用来感知异性、猎物或捕猎者。被动接收声波的动物,都是为了确定振动源。当振动源位于特定环境时,触角、身体的毛发,都可以精确定位振动来源,这些都可认为是耳朵。比如蜘蛛网上的振动源通常就是猎物,蜘蛛使用腿部即可感受。通常人是视觉、听觉、嗅觉共同使用一样,动物的耳朵也仅是探知外界工具的一部分。不同动物的探测侧重点不同。

13.当波源运动时,对固定位置的观察者而言,波的频率发生变化。比如波源频率是10Hz,波速100米/秒。1秒内有10波峰经过观察者,当观察者以100米/秒的速度靠近波源时,1秒内就观察到20个波峰!对观察者而言频率增加了一倍。以50米/秒的速度远离波源,则1秒内观察到5个波峰,频率为实际的一半。最早是由奥地利人多普勒发现的,称为多普勒效应。现在高速路上检测超速,就是使用多普勒雷达进行。医疗上使用多普勒效应来判断血液流动的速度,叠加在B超上,就成为彩超。

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