聲波傳播之怪現(xiàn)象

汪 鵬

1921年5月9日,莫斯科附近發(fā)生一次大爆炸,在半徑70km的范圍內(nèi),爆炸聲聽(tīng)得很清楚;再遠(yuǎn)一直到160km的范圍內(nèi)都是寂靜區(qū);然后直到近300km遠(yuǎn)處,又可以聽(tīng)到爆炸聲。為什么會(huì)出現(xiàn)如此奇怪的現(xiàn)象呢?原來(lái)這與聲波在空氣中的折射有關(guān)。

聲波是聲源的振動(dòng)以波的形式在媒質(zhì)中傳播形成的。由波的折射定律可知,當(dāng)波從第一媒質(zhì)射入第二媒質(zhì)時(shí),入射角(i)的正弦與折射角(γ)的正弦之比等于第二媒質(zhì)對(duì)于第一媒質(zhì)的相對(duì)折射率n,即n=sini/sinr.當(dāng)n>1時(shí),i>γ,折射波線(xiàn)相對(duì)于入射波線(xiàn)更靠近法線(xiàn);當(dāng)n<1時(shí),i<γ,折射波線(xiàn)相對(duì)于入射波線(xiàn)更遠(yuǎn)離法線(xiàn)。

在烈日炎炎的白天,聲波在空氣中傳播時(shí),在離地面20km以下的區(qū)域,由于地面接受太陽(yáng)的輻射而溫度較高,從而越靠近地面,空氣越稀薄,折射率也越小;而在地面40km以上的高空,這一層大氣由于強(qiáng)烈吸收紫外線(xiàn)而使氣溫升高,從而讓空氣折射率開(kāi)始減小。因此,從地面開(kāi)始,空氣密度由稀到濃再到稀,折射率也由小到大再到小,這樣,當(dāng)出現(xiàn)聲強(qiáng)很大的聲波(如大爆炸)時(shí),聲波先沿靠近法線(xiàn)的方向折射傳播,讓聲波迅速上升到高空,到底40km的高空后,聲波再沿遠(yuǎn)離法線(xiàn)的方向折射傳播。經(jīng)過(guò)連續(xù)偏折后,聲波又會(huì)折回地面,這樣從聲源到折回地面的聲波之間,就會(huì)出現(xiàn)無(wú)聲區(qū)。聲波折回地面后,經(jīng)過(guò)地面反射再進(jìn)入高空,再一次反射回來(lái),從而出現(xiàn)第二個(gè)無(wú)聲區(qū)。以此類(lèi)推,也就出現(xiàn)了文章開(kāi)頭的靜鬧相間的怪現(xiàn)象了。

如果聲音強(qiáng)度較小時(shí),又會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢?聲波從聲源向四周傳播時(shí),聲波還是會(huì)先沿靠近法線(xiàn)的方向偏折,讓聲波迅速向高空傳播,但是由于聲音強(qiáng)度不大,聲波傳播不到40km的高空就已經(jīng)衰減完畢,所以,聲波的水平傳播距離變小,也不會(huì)出現(xiàn)靜鬧相間的現(xiàn)象了.這種現(xiàn)象在烈日炎炎的沙漠中尤其明顯,兩個(gè)相距幾十米的兩人即使大喊大叫,往往也是只見(jiàn)其人而不聞其聲。在我們?nèi)粘Ｉ钪幸灿羞@種現(xiàn)象,如地面上的人叫住在高樓上的人時(shí),容易引起其注意,而反過(guò)來(lái),樓上的人叫樓下的人時(shí),往往聽(tīng)聞不佳。這就是因?yàn)樘幱诟咛幍娜酥v話(huà)時(shí),聲音迅速向更高處傳播了,而很難再回到地面。

而在晚上,由于地面氣溫的降低,越靠近地面,空氣的折射率越大,這樣,聲音的傳播就與白天時(shí)恰恰相反了。這就是為什么在氣溫較低的早晨或在寒冷的冬天,聲波可以傳播到很遠(yuǎn)的原因之一。

晝近夜遠(yuǎn)傳聲響,靜鬧相間怪現(xiàn)象.其實(shí),只要我們認(rèn)真分析,仔細(xì)推敲,這些生活中的怪現(xiàn)象是可以用科學(xué)來(lái)進(jìn)行解釋的。

作者單位:廣東佛山順德樂(lè)從中學(xué)