书城科普透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第16章 声音(4)

超声波还可以帮助我们清洗光学镜头、仪表元件、医疗器械、电真空和半导体器件等许多重要的精密零件。

谁预报了海上风暴

一艘探险船正在海上航行,科学家们都在紧张地工作着。他们有的在测量水的深度,有的在测量水的温度……一位气象学家将一只氢气球凑近耳朵听了听,马上向整个探险队发出紧急报告:“海上风暴即将来临。”就在当天夜里,海上发生了强烈的风暴。

一只氢气球怎么会预报海上风暴?难道它被施了魔法不成?

原来,当远处海面发生风暴时,强大的气流所产生的空气旋涡,会引起空气强烈的振荡,这种振荡每秒不到20次,人耳听不到。这种频率低于每秒20次的声波,叫做次声波。次声波也是以声速传播,可以传得很远,因此,次声波比风暴的传播速度快得多。而充满氢气的气球,能同次声波发生共鸣,产生一种振动。这种振动的强度,会对靠近氢气球的人的耳膜产生一种压力,使耳膜感觉疼痛。海上风暴离得越近,这种感觉越清晰。气象学家就是根据这种感觉,判断海上风暴即将来临。

现在,人们已经利用这个道理,制成了自动记录、预测海上风暴的仪器。

某些水生动物对次声波也很敏感。每当海滩上的小虾跳到离海较远的地方去,鱼和水母急忙离开海面,纷纷潜入深深的海底时,有经验的渔民就会知道海上风暴即将来临,迅速地收起鱼网,返回渔港。

飞机超音速飞行时会发出打雷一样的响声

声音是一种波。在声波传播的过程中,已被扰动的空气,与未被扰动的空气之间有一个分界面,我们把这个分界面叫做波阵面。如果声源是静止的,波阵面就是一个向外扩展的球面,在竖直剖面上是一个圆;如果声源是运动的,而且声源的运动速度超过了声速,尽管每个时刻声源依然向外发出圆形的波,但这些圆形波却聚集成了直线形的波阵面,也就是说波阵面不再是圆形的了。这时,就会产生称为声暴的奇异的声学现象。

飞机作超音速飞行时,机头、机翼、机尾等处都会引起周围空气发生急剧的压力变化,产生强烈的前激波和后激波,这两种声波的强度都很大。当前激波经过时,空气压力突然增高,随后,压力平稳下降,以至降到大气压以下。接着,当后激波经过时,压力又突然上升,并逐渐恢复到大气压力。前后两个激波经过的时间间隔约为012~022秒。如果飞机的飞行高度不太高,我们就可以在激波经过的瞬间,听到好似晴天霹雳的雷声或像炮弹爆炸的声音,这就是超音速飞机飞行时产生的所谓声暴。由于有前后两个激波,所以我们能够听到短促而猛烈的两声声暴。

声暴与飞行高度和速度有关。在同样飞行速度下,飞行高度越低,地面受激波的影响就越强,反之就弱。同样,在高度相等时,飞行速度越大,激波越强,反之就小。如果在低空作超音速飞行时,产生的声暴甚至能将建筑物震塌。因此,在一般情况下,飞机作超音速飞行,应不低于规定高度,这样可以减弱对地面的影响。

从“鸣沙”现象谈共振

到了坐落在黄河边上的宁夏鸣沙州,会发生这样的现象:当人们爬上沙丘或从上面滑下来时,随着沙粒的倾泻,可以听到清脆悦耳的声音,像唱歌一样。

原来是由共振引起的。任何一个物体都有一个固有频率,它的数值大小取决于物体的性质,如果在这个物体上加一个周期性变化的外力,当外力的频率等于物体的固有频率时,物体就会发生剧烈的振动,这种现象即被称为共振。

在日常生活中,当士兵、马队步伐整齐地过桥时,就会给桥施加一个周期性变化的外力,如果其频率等于或接近于桥的固有频率,桥就会发生共振,振幅迅速增大,严重时会把桥震坍。历史上曾发生过不少由此导致的悲剧。

除了人力的影响外,自然力产生的共振现象也是不可低估的。1940年美国的塔科玛海峡有一座长八百米、高几十米的大桥突然莫名其妙地垮了,此桥的结构原是非常牢固的。事后科学家们分析了一切可疑的地方,最后终于从气象资料中找到了答案,破坏桥梁的罪魁祸首是风。其实那天风力并不大,但由于它吹一阵歇一阵交替地进行,这交替阵风的频率正好与桥梁的固有频率一致,使桥在阵风的作用下发生了共振,最终导致桥被震垮。因此为了避免桥梁、船舶、飞机、房屋等因共振而摧毁,设计师们就要考虑它们所处的环境中有哪些交替的作用力,这些力的频率在什么范围内,以力图使设计对象的固有频率在此范围以外。

除了力学中的共振例子以外,在声学、电学、光学、原子物理学中,也都普遍存在着共振现象。

在声学中,声音的共振被称为共鸣。早在古代人们就应用共鸣原理来加强琵琶等弦乐器的演奏效果。这些乐器都带有一个被称为共鸣箱的“箱子”,在演奏中,当弦振动发声的时候,箱里的空气柱发生共鸣,也发出声音,使乐器的声音变得更加洪亮、动听。同样,好的歌唱演员会巧妙地利用呼吸,使胸腔和声带发出的声音发生共鸣,这样唱出来的歌声也就更加嘹亮、悦耳。

此道理就是如此:当沙丘表面的沙粒倾泻的时候,沙层间摩擦产生的声音频率同沙丘的固有频率相同,引起了沙丘的共鸣。

在电学中,共振的应用也很普遍。当打开收音机后,只要转动旋钮,就可以随意选择所要听的广播,坐在房间里,能够收听到国内外的新闻和娱乐节目,多么方便呀!但这一切是如何实现的呢?

其实,这里收音机上小小的调台旋钮起了不小的作用。这个旋钮与一个可变电容相联,此电容与电感线圈组成了一个调谐回路,它具有一个由电容器的电容的电容量和线圈的电感决定的固有频率。同学们都知道,各电台分别按自己的频率向空中发送无线电波,收音机通过天线线圈感应出具有各电台频率的微小电流。当调台旋钮调到某个位置时,调谐回路的固有频率与某电台所发送的无线电波频率相同,这时会发生共振现象,人们称之为谐振。于是该电台的信号被显著地加强并选出,再经放大电路放大,最后被还原为声音。电视机的选台原理也是如此。

另外,激光的产生同样应用到了共振原理。大家知道:组成物质的原子由原子核和绕核运动着的电子组成,当电子在较外层的轨道上运动时,原子具有较大的量。处于高能态的原子设有低能态的稳定,它有返回低能态的趋势,当原子从高能态跃迁到低能态时就会发光,我们称之为辐射。如果原子自发地完成此跃迁过程,我们就称之为自发辐射;如果用一了外来光来诱发高能态的原子跃迁到低能态,当外来光的频率等于高能态原子的固有频率时,就会发生共振,引起原子的辐射,此时我们称之为受激辐射。

噪音也是一种污染