梧桐文学

02 声音的本质 The Nature of Sound(第3页)

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它是声音诸多应用的关键。

例如,软橡胶表面会吸收声音并将其转化为热量,因为软橡胶具有极高的声阻抗,潜艇上的隐形涂料就是利用了这一原理。

但糟糕的是,橡胶的柔软程度与温度有关,所以,在20世纪80年代末,冷战时期的潜艇从北大西洋重新部署到海湾时,由于水温随地域变化而逐渐升高,使得潜艇无处遁形,从而引发了一系列相关研究的热潮。

声音可以通过声透镜聚焦。

声透镜通常由丙烯酸塑料制成,其工作原理是当波从一种介质传播到另一种介质时,只要它以一定角度入射介质之间的界面,就会发生折射。

声波被折射的角度取决于它在两种介质中的速度之比,这就是斯涅尔定律(见框4)。

通常,声音比光更受关注的一个效应是声音能够在墙角和墙壁上弯曲,并在穿过一个开口后扩散开来,这种现象被称为衍射或散射(见图5)。

图5 衍射

波长越长,弯曲程度就越大。

所以如果在声源(比如说一个乐队)和听者之间建一堵高墙,低音可以通过衍射效应绕过高墙返回地面,而高音则不能被听到(见图6)。

这种消声效果对帮助我们评估户外常见声源的距离而言,是非常有用的线索。

图6 不同波长产生的衍射

当光线落在一系列间隔约为单个波长的平行线、条纹或凸起之上时,它就会发生衍射现象。

由于波长较短的光将产生更大角度的衍射,这样的衍射光栅就会把白光分解成它的组成色,例如CD的背面就是通过这种方式将阳光衍射成彩虹色。

由于纯音是一系列压力增加的有规则的“条纹”

,它也可以充当衍射光栅,通过这个光栅散射的光波,长度约等于条纹之间的距离(该距离是声音波长的一半)。

通常这里涉及的介质是晶体固体,如熔融石英。

这种声光效应,即利用声波散射光,在水下和空气中都可被用作非摄动测量和成像工具(见图7)。

图7 声光效应

当来自多个声源的声音相遇、相容混合时,就形成了一个由嘈杂和安静区域组成的三维模式,称为干涉模式。

安静的区域形成于一个声源的疏部与另一个声源的密部相遇的地方,这就是相消干涉;当疏部与疏部相遇,或者密部与密部相遇时,嘈杂的区域就出现了相长干涉(见图8)。

图8 相长干涉和相消干涉

干涉在立体声产生和噪声消除中发挥了重要的作用。

它引入了声波的另一个表征参数——相位,即声波在空间和时间的某一特定点上的压力的高低。

相位只在声波相互作用时才真正起作用。

在上面的例子中,密部相互重合的一对声波(因此形成一个较嘈杂的区域)称为同相,而那些不重合的声波则处于异相。

当波最大限度地偏离相位时,我们说它们处于反相。

人类的听觉系统是无法识别相位的。

声音的能量

定义和测量声音的量的方法有好几种,每种方法适用的领域都不相同。

如果测量的内容是听力或音乐,那么声压是最好的选择,因为它是与响度最直接相关的参数(尽管也不是很简单,但请继续读下去)。

但是,在讨论声源的效率时,人们可能希望知道每秒有多少能量从声源中流出,即声音的能量。

要描述特定声场对物体的影响,我们感兴趣的参数是声强,即每秒打在该物体1平方米面积上的声音能量。

音量是一种定义不太严格的度量方法,用于标记音频设备,但旨在模拟响度。

可听频率范围内的声波在通过空气时的吸收损失很少(每100米约0.25分贝6音分,但随天气条件变化很大)。

声音会随着距离增加而消失的主要原因是它们可以自由地向许多方向扩散,所以它们的能量会随着扩散越来越低,同时占据的体积越来越大。

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