神奇的声现象

编辑: 逍遥路 关键词: 高中物理 来源: 高中学习网


第二次世界大战期间,美、苏科学家分别发现,大洋深处有一些水域可以让声波传得很远。在这些水域里声音可以传播数千公里而不减弱,科学家把这些水域称作深海声道。

海水下声速基本上由温度和海水压力控制:温度越低,声速愈慢;海水压力越大,声速愈快。大洋中海水温度是由太阳照射造成,因此温度随深度增加而降低,但是海水压力却在增加。所以由海面向下观察就会发现,声速先是随深度增加、温度降低而变慢,当达到最低值时,温度不再改变,这时声速就会随海水压力增大而变快。

于是声波传播速度在整个大洋变成上下两层,两层交界处就形成了特殊的声道轴,由于声波在传播时总向声速慢的界面弯曲,因此声道轴上下方的声音都会折回声道轴;于是乎,声能被限制在声道轴上下一定深度范围内传播不接触海面与海底,这就像在声道轴上下各放一块反射声特别好的挡声墙,声音总是在两块挡声墙之间反射,能量不受损失,可以传播很远。这就形成了“深海声道”。

后来的科学家还为此做过一次实验,他们在澳洲南部海中投下深水炸弹,爆炸产生的声波顺着深海声道绕过了好望角,又折向赤道,横穿大西洋,经过3小时43分钟后,竟然被北美洲百慕大群岛的测听站收听到了。计算起来,这颗炸弹爆炸后的声波一共“定”了1.92万公里,在海洋中绕地球达半圈!

通过这个特殊的声道,我们在上海讲话,大洋彼岸的旧金山都可以听到,只不过一方说过话之后,另一方要3个多小时才能收到。

如果船舶或飞机在大洋中失事时,如无法用无线电发出求救信号,则可以向深海投掷炸药包作为呼救信号。2千克炸药在1千米深的海洋中爆炸时,发出的声波可传播到几千米之外。由几个海岸监听站从不同位置收到的报警声,就能较准确地测定失事地点并组织营救。用同样的办法也可以测定洲际导弹或宇宙飞船返回时的溅落位置。

声音与飞机的较量

早期的飞机都是用螺旋桨作推进器的,这种飞机可以达到每小时七百多公里的速度,比汽车要快得多。可是人们还不满足,声音每秒可以“跑”340米,照这样计算一小时就可以“跑”1200多公里,飞机能不能追上声音呢?为了达到这一目的,人们设计了一种新式的飞机,这种飞机不用螺旋桨推进,而是靠向后喷射大量高压气体产生的反冲力向前飞行,这就是大家熟知的喷气式飞机。第一架喷气式飞机的速度一下子提高了很多,以后经过不断改进,竟可以达到每小时975公里。在这场人类同大自然的赛跑比赛中,看来飞机要超过声音了。然而意想不到的惨事发生了。当试飞的喷气式飞机速度继续增大时,突然发生了一阵雷鸣般的巨响,一眨眼,正在飞行的飞机被炸得粉碎,好像撞上了一座大山似的。以后又连续发生了几起类似的爆炸。飞机设计师、工程师和物理学家对这件怪事作了深入的调查研究,终于找到了凶手——空气,是空气墙把飞机撞碎了。

原来一切物体,包括飞机在内,在空气中运动时,都会给前面的空气以一定的压力,使物体前面的空气压紧,形成一垛肉眼看不见的“墙壁”。物体运动速度越大,这垛“墙”越坚固(密度增大)。

如此说来,人人都得担心碰上这垛墙了。绝不是!因为空气墙总是以声音的速度往前跑的,只要在低于声音的速度范围内运动,就不可能追上它,以致碰上它。只是对于一架想要超音速飞行的飞机或其他物体来讲,那就势必要碰上空气墙,发生前面的那些惨案。人们把空气的这种作用称为声障。科学家还发现,由于飞机周围的气流不均匀,因此在飞机速度还未超越声速时,也可能会撞得粉碎。

那么能不能克服声障呢?难道人类制造的飞机永远甘心落后于声音?不,科学家找到一种办法,把飞机的外形改一下,使机身做成纺锤状的,两头尖、中间粗,再把飞机的两只翅膀尽量朝后掠,飞机就可以顺利地穿过空气墙了。

今天,一些先进的喷气式飞机的速度已达到了声速的两倍,甚至三倍于声速的程度。在这场与声音赛跑的竞赛中,人显然是优胜者。

“跳跃”的声音

1921年5月9日,前苏联的莫斯科近郊发生了一次大爆炸。据调查,在半径70公里范围内,人们清清楚楚地听到了“轰隆轰隆”的爆炸声;但是从半径70公里到半径160公里的范围内,人们却什么也没有听到;奇怪的是,从半径160公里以外一直到半径300公里的远方,人们又听到了爆炸的轰鸣声。

这真是怪事!声音怎么会“跳”过中间这片地区呢?物理学家发现,声音有一种“怪癖”,它在空气中爱拣温度低、密度大的道路走。当遇到温度高、密度小的空气,声音便会向上拐弯到温度较低的空气中去。如果某一个地区,地面附近的气温变化比较复杂,这儿温度高,那儿温度低,声音经过的时候,一会儿拐到高空,一会儿又往下拐,这样上上下下,就形成了上面所说的那种声音“跳”动的现象。

安徽省合肥市建好的长途电话大楼,楼顶耸立着一座塔钟。这塔钟准时打点,钟声悦耳,响遍全市。但是住在远郊的居民听到的钟声,有时候清晰,有时候模糊,有时正点,有时“迟到”。这是塔钟的失误吗?不是,这也是声音的“怪癖”──爱走气温低、密度大的道路引起的。天长日久,居民们得出一条经验:平日听不见或听不清钟声,一旦突然听得很清楚,就预示着天要下雨了,或正在下雨呢!这是因为这时空气湿度大,湿空气比干空气的密度大,容易传播声音的缘故。

“拐弯”的声音

远处的钟声,为什么夜晚和清晨比白天听得更清楚?“当、当、当……”我国的首都北京和上海等很多城市里,都装有巨大的时钟,每隔一定的时间,准确地向大家报告时刻。如果你离开大钟的距离比较远,就会有这样的感觉:报时的钟声,夜晚和清晨听得很清楚,一到白天,就不太清楚了,有时甚至听不见,有人说:“这是因为夜晚和清晨的环境安静,白天声音嘈杂的缘故。”这样的解释,只对了一小部分。并不完全,其主要原因是由于声音会“拐弯”,声音是靠空气来传播的,可是声音有个怪脾气,它在温度均匀的空气里,是笔直地跑;一碰到空气的温度有高有低时,它就尽拣温度低的地方走,于是声音就拐弯了。白天,太阳把地面晒热了,接近地面的空气温度远比空中的高,钟声发出以后,走不多远就往上拐到温度较低的空中去了,因此,在一定距离以外的地面上,听起来不清楚,再远,人们就听不见这个声音了。夜晚和清晨,刚好相反,接近地面的气温比空中来得低,钟声传出以后,就顺着温度较低的地面推进,于是人们在很远以外也能清晰地听到钟声。如果某个区域接近地面的大气温度变化得很厉害,这里高,那里低,那么声音拐到空中以后又会往下拐,往往造成非常奇怪的现象。1923年荷兰的一座军火库爆炸,在距离仅为100km~160km的地区内没有听到,可是在1300Km的地方却听到了,这就是声音在空气中多次拐弯造成的现象。


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