声波的应用知识

声波是一种可以以气体、液体或固体为介质的波动，以介质压缩造成的疏密变化传播能量．波动在密介质中因为分子间距较小，振动易于传播，所以速度较快．当波传播出去时，由于密介质中波速较快，波面会向波速较小的疏介质方向偏，这就是折射的现象．相较于空气，水是密介质，一般来说，水中波速约为空气中波速的四倍；而固体由于更为紧密，其中波速较水中更快．空气中的情形与固体、液体中不同，受温度而非密度影响较大；空气温度愈高，密度愈低，但是其中波速却愈快，对声波而言是较密的介质．因为空气中的波速．固体、液体中的分子速度都并不甚快，而空气中的分子速度则是极快，而且易随温度升高，所以差异极为明显．例如对干空气而言，摄氏零度时的声速是每秒331公尺，摄氏15度时的声速则是每秒345公尺．由于空气中声速随温度变化的差异可观，所以交响乐团演奏前或中场时，每每要现场调音，便是为了要就当场的温度调整，以免乐器频率产生变化．杜甫、张继和谭元春所处的环境，都是已入深夜或时当清晨，江水已将在白日所吸收的日照热量散去，温度较低．相较之下，江面以上的空气温度较高．所以寺庙中的钟声声波传出，无论在上层热空气中或下面的江面上，都会折向贴近水面声速较慢的空气层中．这部份空间，好似声波的甬道，不使散失，故能够传远．夜半钟声或歌声，所以特为悠远不散，引人伫听，固然是夜半万籁俱寂的缘故，介质分布的特性使其不易散失尤为主因．同样的原理，在近代的航海技术中，曾被应用为快速且及远的传讯之用，在通讯或海上救难中颇为方便．原来海洋可依声速大小分为表面层、主跃变层和深海等温层三层．其中位于水面下约一千公尺处的主跃变层中声速最小，因此在此深度的声波都会被上下两层密介质折射回来，使其必定保持在此「水下声道」中传播，不易散失．其中低频声波，更由于吸收率较低（见下文），竟然可以传到几千公里之外．所以遇难船只或坠海飞行员可以投掷炸药包，使其在水下声道中传播出爆响，由三个以上的测站接收即可定出遇难地点，施以援手．由水下声道传播的声音，甚至可以先期预报海啸的袭击，以利早先走避．而「钟声不如寻常响亮」，如「被湿云裹住」，听钟而得辨空气湿度，岂非神异？若果如此，足见诗人观察周至、心思细密，「晨钟云外湿」或「远钟渡水如将湿」都无愧为见人所未见的佳句．声波在传播时，因为距离愈远，能量会分布到更大的空间，因而逐渐衰减，称为「几何衰减」．除此而外，声波的能量也会逐渐消散在空气中，转成空气的热量．但是空气中如果饱含水分，水分子更能够为声波所振动，将声波的能量吸收．但是水分子对高频率的声波吸收较多，而且湿度愈高时，吸收率也愈高．所以钟声在湿度高的空气中传播愈远，其中高频率部份丧失愈多，所以钟声的音色也因而改变，显得较为低沉．杜诗中「江鸣夜雨悬」句，更为奇特，「夜雨」居然可以使「江鸣」．一夜喧闹，又为雨所阻，不得送故人远行，想来诗人必不得好睡？陈衍说「蜀江岸峻」，雨打水面声，不易散去，果然不错．但是还不足以说明「江鸣」之故，「江鸣」还要以杜甫所乘的有蓬船只才能解释．宋代科学家沈括的名著《梦溪笔谈》〈器用〉篇中有如此的记载：「古法以牛革为矢服，卧则以为枕，取其中虚，附地枕之，数里内有人马声，则皆闻之，盖虚能纳声也．」牛马皮所做的中空箭囊，取做枕头，贴地而听，可以将远处的人马声放大．这种设置，与杜甫所乘的有蓬船只并无二致．沉括的解释是「虚能纳声」，其实也就是共鸣器的原理．声波和光波相异处之一在于光波容易被物体吸收，声波却极容易为物体反射．声波一旦传入封闭的共鸣器空间内，便可以多次反射，加强音量．诗人如果不畏下雨，撤去顶蓬，使雨打水面声无法来回混响，便不至于喧声扰人了．诗是经济的语言，以简短的文字涵蕴深广的内容，才是好诗．杜诗凝练博大，由此可见一般．真有十八层地狱吗——利用波的传播探索地球内部结构在我国古代有一种迷信的说法，人生罪孽深重的人，死后也不能逍遥法外，他们经过阎王爷的审判后，将根据所犯下的罪行，被打入地下深处的十八层地狱，永遭惩罚，不得翻身．在西方世界，也有类似的说法，那些作恶多端的歹徒和宗教的叛逆者，死后必将入地狱，倍受磨难，痛苦不堪．看来，人们把地球内部看成是黑暗、恐怖的另一个世界是共同的认识．地球内部到底是什么样子呢？近代科学告诉我们，地球内部确实是分层的，只不过没有十八层．从地表向下，可以大致分为三层，即地壳、地幔和地核．其中地壳最薄，如果用鸡蛋作比喻，地壳的厚度比鸡蛋皮厚不了多少．地壳还有另一个特点，这就是薄厚不均一，在大陆部分较厚，有的地方可达60公里；在大洋部分较薄，最薄处仅3公里，而且很脆弱．地壳通常进一步划分为两层，第一层为硅鈻层，主要成分是硅和鈻，与大陆块有关，代表性岩石是花岗岩．第二层为硅镁层，主要成分是硅与铁镁矿物，与大洋底有关，代表性岩石是玄武岩．地幔由上地幔、过渡带和下地幔组成，它们是熔融状物质，温度很高．地核由内核、过渡带和外核组成，核心是与太阳表面温度相同的铁质球状体，大小同月亮相仿，处在地球内部5000公里的深处．如此说来，“地狱”应该是八层，而不是十八层了．地球内部的分层是怎样得到的呢？科学家们是通过对地震波的分析研究获得关于地球内部结构的信息的．地球内部的主要分层是根据压缩波（P波）和切变波（S波）的波速随深度的变化情况划分的，由于地球内部物质的质量不同，地震波的传播速率自然有不同的变化，因此可呈现不同的反应．根据转动惯量和质量的制约，通过计算，已经准确地求出了整个地球内部的密度分布、压力和各种弹性的分布情况，地质学家和地球物理学家们通过不懈的努力，不仅揭示了地球内部的分层情况，还成功地重建了地壳的演变历史．20世纪后半期，地震学的进展，特别是采用仪器台阵，利用核爆破作人工震源，对各种波长和地球自由震荡数据做出精确的解释，显著地改进了地震波速分布的数据，包括区域性的变化．根据地震波速随深度的分布情况，确认“莫霍面”为地壳和地幔的界限，在此界面上下，P波的波速从每秒6.5-7公里，突然增加到每秒8-8.4公里．地核与地幔的边界在2900公里深处，在此边界上下，P波速度从每秒13.7公里，突然降至每秒大约8公里，低于这个界面，S波不再传播．在面向新千年的时候，科学家们对地球的核心又提出了新认识，认为地核并不是很硬，并且可能还在旋转．假如地核真的比原来想象的还软的话，那么，以往种种关于地核的理论问题也需要重新核实．但仍有科学家坚持不同的观点，他们认为，地核可能在45亿年前，在地球充分形成时，甚至更早些时候就诞生了，后来，在一系列巨型流星的撞击下，襁褓中的地球温度增高，大部分铁质融化而渗入地心，形成液化的金属海洋，冷却后即成为固态铁质的地核．地核到底是怎样形成的呢？它与地球的其它分层还有什么必要的联系呢？这些谜底有待于在21世纪揭穿．看来，人们对“地狱”的认识仍然没有停止．海洋运输与波在过去的几个世纪中，船舶曾经是地球上最快的运输工具，同时，其运输能力也是当时最大的。船舶运输极大地促进了当时贸易的发展和经济的繁荣。因此，古希腊的历史学家Thucydides曾经指出，谁控制了海洋，谁就控制了世界。这句话至今仍有道理。在本世纪，以交通运输为基础的世界贸易取得了迅速的发展，一些有远见的船公司负责人开始认识到，不同的运输方式实行联合运输，其运行效率将得到巨大的提高，同时，国际贸易的发展需要一条更加高效、更加协调的运输通道跨越全球，就象一个移动的货仓，保证重要货物在几小时内运达，而不是拖到几天或者几周。因此，交通运输进入了多式联运时代。现在，全球运输链的最薄弱环节要属集装箱船，它的实际运行速度仅比人跑的快一些。尽管飞机也可进行货物运输，但其成本是水运的10倍以上，而且由于陆上运输的耽搁，从美国——欧洲的门到门运输仍然需要3到6天。此外，可用飞机运输的货种也有限。因此，对一些珍贵的货物，例如每吨价值在10000美元以上的，以及对时间敏感的货物（延长到达时间会使其价值降低），用飞机运输也未能如愿。另外，人们对空运也提出了异议，飞机在高空飞行，释放二氧化氮，危害环境。鉴于以上的原因，人们又把关注的焦点转回到改善船舶运输上。尝试着把计算机技术、航空科学、甚至美国冠军杯帆船赛等的一些东西应用到船体的设计和改进上，以获得速度更快、更可靠的船舶运输。新的推进系统和船体设计可以使新一代的船舶速度提高一倍。以前的人们不愿意对船体设计或推进系统进行改进，因为那要冒很大的风险。海洋是自然界最伟大的力量，稍有不慎就有可能船毁人亡。在大西洋上，一般的波浪长度也达到600英尺（183米），其推进速度就象脱缰的野马，蕴藏着巨大的能量和推动力。在北大西洋上冬季将近一半的时间里，海洋波浪会使全速集装箱船的推进效率降低20——30%，使航速降低4——6节。即使在好的天气里，船舶也要受自身产生的波的影响，当船划过水面时，就会产生旋涡，而且船速越快，旋涡越大，直至最后形成固定波（CaptiveWave），固定波会对船舶航行带来很多问题。如果船速超过固定波的传播速度，那么固定波的波长就会增加，同时船的尾部下沉，固定波对船体产生一个额外的阻力。在19世纪初，英国的建筑师威廉姆·佛洛德推导出，固定波的波速取决于产生固定波船舶的长度和体积。这种波和由风产生的海洋波浪具有相同的特性，其波速随波长和波高的变化而改变。例如，海洋中600英尺长的波，其波高27英尺，波速为31节，而900英尺的波，其波高为38英尺，波速为38节。实际上，波速或船速大约与其长度的平方根成正比，但是船的最高速度也随船舶体积的不同而改变。鉴于上述原因，海军工程设计人员经常用速度-长度比率（V/ROOT（L），V-船舶速度，其单位为：节；L-船舶长度，其单位为：英尺）来描述不同尺寸船舶的相关关系。佛洛德认为，尽管在理论上，一艘长度为700英尺的现代货船可能达到34节的航速，而实际上，因为有速度-长度比率0.87，在静水中它的最高时速也不过23节左右。按照佛洛德的观点，当船舶达到某一速度时，由固定波产生的压差阻力非常巨大，使船舶速度增大成为不再可能，在上例中为23节。如何使船速超过该速度极限，海军工程师们一直都不敢尝试风险。今天，大多数传统船舶的设计者仍然把它作为一个极限值而不敢逾越（实际上，传统货船在没有足够动力以克服海洋中巨大船体阻力的情况下，也不可能提高船速）。当然，传统的船舶也不只有这样一种选择，几个世纪前的海盗们发现了减小压差阻力的方法，他们把船做得又细又长，