聲音最大能有多大?
2019年07月24日11:50

  我們認為聲音是我們聽到的某種東西,但在純粹的物理定義中,聲波正是振動在物質中傳播的形式。當我們想起聲波的時候,腦海中可能會浮現這樣的畫面:

  但這並不是聲波的傳播方式,像這個樣子的波被稱為橫波,橫波的每個粒子上下移動形成類似於蛇爬行的蜿蜒形狀。

  事實上,聲波更加像蚯蚓爬行的情形。

  像蚯蚓一樣通過不斷壓縮和舒張而移動的波被稱為縱波。兩種形式的波都可以在彈簧中傳播:

聲音由一些物質產生的縱波開始,就像這樣
聲音由一些物質產生的縱波開始,就像這樣

  以上模型就描述了聲音的傳播方式(當然,真實的聲音並不是由振動的球體來描述的)。在這個動畫中,聲音由左邊振動的灰色棒生成,這個棒可以是聲帶,吉他的弦,也可以是持續傾倒到河流中的瀑布。通過觀察紅點,可以看出,雖然波在向一個方向移動,但是每個獨立的粒子都在模仿著灰色的棒在來回移動。

  所以,聲音是一種在正常壓強周圍上下波動的壓力波,而不是彎曲的蛇形波。所以當你看到聲波的蛇形圖示時,其只代表著壓力的大小,而不是粒子的真實路徑。

  聲波不僅僅能通過空氣傳播,還能通過液體和固體傳播——在地震中發生的大部分震動都是由於巨大的聲波在地球上的傳播引起的(這種情況下,斷層的運動就像上述動畫中灰色和紅色的條一樣)。

  怎麼判斷聲速的大小呢?這依賴於在給定的介質中壓力波的傳播速度,像空氣一樣流動性更強的介質是高度可壓縮的,所以波傳播很慢,水可壓縮性差,從而能更少地阻礙波的減速,因此波速更快。就像兩個人之間伸著一條彈簧一樣,一個人在彈簧的一端推向另一個人時,要過段時間另一個人才能覺察到這股力,但是,如果兩個人拿的是一個掃帚柄的話,一個人推動的話,另一個人立馬就能感受到,因為掃帚柄是難以壓縮的。(在此例中,空氣可以對比彈簧,水可以對比掃帚柄)

  所以聲音在空氣中的傳播速度大概是其在水中傳播速度大小的四分之一,而在水中的傳播速度只是在在固體中(比如說鐵)傳播速度的四分之一。

  回到我們自身的聽力來說。耳朵可以說是一種進化的創新,它能夠使我們記錄周圍的聲音並將其轉變為信息——如果沒有耳朵,對人類來說,大多數聲波是難以覺察到的,只有部分最為響亮的聲音會反映為我們皮膚上的振動。耳朵賦予了我們一種神奇的能力,其能夠以非常細微的方式感受到微小的聲音,並告訴我們聲音的位置和它的含義,使我們能夠相互交流。人類之間的交流最主要的形式為:我們的大腦通過複雜的空氣壓模式向另一個大腦發送信息。這是多麼地不可思議啊!

  下次你與朋友交談的時候,你可以停下來思考一下整個過程。你的大腦有一個想法,並將它轉變為一個壓力波的模式,然後你的肺部將這部分空氣從你的身體發出,同時,你的聲帶振動,嘴巴和舌頭通過正確的移動方式配合這部分空氣的移動過程。空氣中嵌入了高低壓模塊。攜帶“編碼”的空氣擴散到空氣中,其中的一部分會到達你朋友的耳朵中,通過他們的鼓膜,然後鼓膜振動,傳遞你發聲的位置和說話的音調。鼓膜的振動通過三個微小的骨頭傳遞到一個小的液體囊中,然後將信息變為電脈衝傳送到聽覺神經網絡中然後到大腦,在那裡信息被解碼。所有的這些過程發生在八分之一秒內,期間,不需要你們兩個人做任何工作。談話真的是一個不可思議的奇蹟。

  無論如何,耳朵可以分辨出聲音的很多特性,但其中兩個最基本的是特性是:音高和音量。

  音高

  音高(pitch)與壓力波之間的間隔有關。

figure 1。音高示意圖
figure 1。音高示意圖

  波長越短,音高越高。人類能夠聽到的頻率為20Hz-20,000Hz。隨著年齡增長,你將會失去聽到最高音的能力,所以當你聽接近20,000Hz的頻率時,大多數人可能會聽不到任何聲音。但是,你會更加輕鬆地聽到這個範圍的最低部分。你能聽到或者感受到聲音的原因,比如說就像音樂中的低音部分,是因為波長很長,其需要1/20s的時間才能讓整個波經過你的身體(因此為20Hz)。

  音量

  聲音的音量(loudness)取決於壓力波的振幅。

  在圖1中,高低音的音量相同,這是因為圖下面的壓力曲線在垂直方向有著相同的大小。較大的聲音在高低壓之間的振盪更加劇烈——即更大的聲音比安靜的聲音的有著更高的高壓和更低的低壓。

  對於地球表面空氣中的聲音,高低壓的平均值就是我們正常的大氣壓——稱作1個大氣壓。所以,聲波可能由一個1.0001的高壓份量和0.9999的低壓份量組成,比之更高的聲音可能是由1.01的高壓和0.99的低壓組成——雖然在這兩種情況下,其平均值都是1個大氣壓。

  我們經常使用“分貝”作為單位來測量音量(以Alexander Graham Bell命名)。分貝的定義比較複雜,有興趣的筒子們可以參照相應的資料,這裏不多敘述。我們這裏談談如何利用分貝測量聲音。

  音量極小值非常小。最微弱的聲音比任何人類能夠聽到的聲音都要輕——甚至比我們最好的儀器能夠檢測的最小值還要小。但是,根據你所處的位置,聲音也有其最大值。這種情況的原因主要是由於聲音本身不是物質——它是通過媒介傳播的壓力波。而且,正如前面提到的,聲波的高壓和低壓的平均值是介質的正常壓力。音量受限於其最低壓只能到零壓——即真空。由於低壓不能再低,因此在給定的條件下,聲波的最大振幅取決於其聲音的最大值。

  關於分貝(dB)的便利之處在於,根據定義,人耳可檢測到的絕對最微弱的聲音是0dB——我們稱之為“聽覺閾值”。科學家們一直在致力於研究遠低於負分貝的聲音,其在地球上人造的環境中可以檢測出-9.4dB的聲音——環境安靜到可以聽到人體血液流經你大腦的聲音——但我們只能聽到正音貝的聲音。地球上可能存在的最大的聲音是194dB——這是當聲波的振幅非常劇烈且其低壓部分是完美的真空(波在正常氣壓的兩倍和真空之間交替),從寂靜開始,可以看看整個聲音的尺度。

  (關於分貝單位要記住的一點是每增加10dB,其音量就增加一倍。所以20dB是10dB音量的兩倍,30dB是10dB音量的四倍,80dB是10dB音量的128倍。)

  標度在194dB的大小處停止,因為地球上不存在超過這個音量的聲音。但是我們可以通過兩種方式來超越這個值。

  衝擊波

  當能量足夠大時,其將超越194dB的限製,雖然其最低壓已經到達了絕對真空的零壓,但其高壓會讓聲音超過194dB。

  在194dB時,波的峰值在正常壓的兩倍和真空之間交替出現——但是一旦達到195dB,能量不能在空氣中傳播並將空氣向外推開而在中心區域形成真空。超過194dB的分貝越多,真空泡到達的地方越遠,影響越大。其以快速增長的半球形式向外擴散。

  這個真空泡的邊緣是一個超壓縮氣體(super-compressed gas)組成的的邊界,當這個邊界掃過陸地時,其會掃平途徑的任何東西。

  隨著真空泡的擴張,其能量逐漸減小直至消失。但是,如果你在此之前遭遇到衝擊波時,那絕對不會是一段美好的體驗。原因有三:第一,撞到超壓縮氣體的邊界就像撞到磚砌成的牆一樣。第二,壓縮氣體很熱。第三,它不僅會撞擊你全身的部位,還會穿過你的身體,如果能量足夠大,還會把你的骨頭變成粉末,把你的器官變成湯。

  這裏有一些音量超過194dB的典型事件:

  土星五號(Saturn V)發射:土星五號的發射狀況就像一匹野獸一樣,其發射產生的衝擊波強烈到能夠點燃一英里範圍內的草地。甚至在三英里遠探測器還能檢測到135dB的聲波。火箭發射產生了如此強烈的聲波,因此當火箭發射時,空間發射機構往往將發射台放在水中以吸收其產生的聲波從而保護火箭不被聲壓破壞。

  廣島和長崎爆炸:根據資料,其聲波強度超過了200dB。衝擊波大到在30秒中傳播了11km。

  1883年喀拉喀托(Krakatoa)火山爆發:喀拉喀托火山的事情足夠令人震撼,且與大家細說。

  喀拉喀托是印尼的一個島嶼,在1883年8月27日火山爆發。

  火山爆發徹底摧毀了這座島嶼,以每秒0.4km的速度將巨大碎片送入17英里(27km)高的天空。它也造成了歷史上最致命和最深遠的海嘯之一,據統計,火山爆發中36,000人遇害。

  但是關於火山爆發的最令人驚奇的是它的聲音,它可以說是現代歷史上地球上最響亮的聲音。

  聲音非常大,以至於足以使40英里以外的水手的耳膜破裂。

  100英里之外,聲音仍然可以達到172分貝,足以永久性地摧毀某些人的耳朵,甚至殺死他們。

  無論你身在何處,想想一個距離大約100英里(161公里)的地方,發生了某些事情導致你所在的地方產生了非常巨大的聲音,這聲音比你用最大的聲音直接向別人耳朵喊的聲音還要大很多。作為對比,火星五號發射時在100米遠聲音大小是170dB,而喀拉喀托爆發時在100英裡外聲音強度比170dB還高。

  聲音使300英里(483公里)外的一英呎厚的混凝土牆破裂。

  聲音傳遍了整個澳州(聽起來像遠處炮彈發射的聲音),甚至遠在3000英裡外的羅德里格斯島還能聽到。想像一下,如果在加利福尼亞或歐洲發生的事情,在紐約可以聽到。

  聲波遠遠超出人類聽覺範圍後,全世界的氣壓計在接下來的幾天都會發狂,因為聲波在地球上空盤旋了3.5次。

  最後,你知道有名的畫作The Scream嗎?你知道裡面的天空為什麼是紅色的嗎?是因為畫家愛德華·蒙克(Edvard Munch)在喀拉喀托火山噴發後的一年看到了整個西半球由其引起的紅色天空,因此受到啟發。

  這真是一場大爆發。

  其他媒介

  有比194dB更高的聲音——只是不在地球表面上。可能在海洋、在陸地或者其他行星上。比如說,我們太陽系中某處有著比地球中更加緻密的大氣,其允許更高的壓力波振幅,還有更加令人難以置信的強風和強風暴,那裡有很多的機會製造更大的聲音。

  太空中基本都是安靜的。你可能聽到過這句話:聲音不能在真空中傳播。現在這個可以理解了,聲音是物質產生的壓力波,如果沒有物質的話,就沒有聲音。雖然其可能會有巨大的熱量、輻射以及力,但是對於近距離觀察的人類來說,所有的一切都是死寂的。

  如果,假設宇宙中充滿了空氣,所有的物體都會發出聲音(忽略超新星聲音的概念——因為僅是安靜的太陽都會產生290dB的聲音)。根據一個太陽物理學家的說法,這意味著在地球上,無論什麼時候,無論在哪裡,我們都會聽到100dB(大概是摩托車音量)的聲音。所以說聲音不在真空中傳播是一件多麼幸運的事情。

  原文來源:https://waitbutwhy.com/2016/03/sound.html

  來源:中科院物理所

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