书城科普《物理知识篇》(下)(科普知识百科全书)
4026200000002

第2章 声与波动(2)

鱼不但能听,还会“说”(叫)。渔民们都知道黄花鱼会叫,而且叫得很响。黄花鱼发声靠的是体内一种密闭的充满气体的囊,称之“鳔”。鳔是黄花鱼的发声器官,还起着共鸣器的作用。在鳔的边上有一排鼓肌,它可以敲击鳔。每敲一次,鳔就发生一次振动,这振动的频率恰好等于鳔的固有频率,因而发生共振,把鳔因振动而发出的声音放大,形成了鱼叫。当然,鱼叫与人的叫声不同,它不是从鱼的喉咙里发出的,而是从鱼鳔里发出的。

震耳欲聋

人们常用“震耳欲聋”来形容强噪声对人体的危害。不过,长期在噪声下工作的人,除了听觉不灵之外,还会发生头昏、头痛、神经衰弱和消化不良等症症。强烈的噪声还会使人头晕目眩、呕吐、视觉模糊,甚至引起呼吸、脉搏、血压、胃肠蠕动等方面的变化,这时人全身微血管的供血减少,出现疲劳感,甚至讲话能力都受到影响。噪声还会使人的智力减退。美国洛杉机市内,位于噪声较大的快车道沿线的学校,其学生的阅读和数学考试的成绩大大低于坐落在安静地区学校的学生。

噪声对运输的危害也是显而易而的。科学家们试验过将兔子暴露在160分贝的特强噪声下,它们很快就体温升高、心跳紊乱、耳朵失聪、眼睛也暂时失明,无目的地乱闯乱撞。海洋中的生物十分害怕噪声,因此,船舶航行时的螺旋桨噪声,使附近的鱼群逃之夭夭。由于这个原因,捕鱼船的渔网要相当长的拖绳,以便将网撒得远远的,避免渔船的轮机声惊扰鱼群入网。有人根据噪声对动物的影响,还发明了一种“噪声弹”。这种炸弹爆炸时放出的噪声,能使鱼和其他海洋动物的听觉中枢神经发生麻痹,造成短时间昏迷,从而浮上水面。捕鱼人可以趁机将大鱼捞上来,把小鱼留下,以保护水产资源。

超音速飞机飞行中的“爆音”

大家知道,船在水中行驶会激起波浪,逐渐向外传播。

飞机在飞行中也同样随时扰动周围的空气,使空气的压力、密度也随之发生相应的变化,并不断向外传播。在扰动传播的过程中,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扰动波。因为飞机的速度有快有慢,所以扰动空气有强有弱,扰动波也有强有弱。波面前后压力有显着差别的,叫强扰动波,也叫激波。波面前后压力差别非常微小的,叫弱扰动波。

我们平常听到的飞机飞行的声音就是弱扰动波所产生的,也是通常我们讲的音波。

弱扰动波的传播速度就是音速,强扰动波的传播速度就是超音速。飞机的飞行速度在低于音速时所产生的弱扰动波在气流中的传播,就象石头投到水里一样向四面扩散,飞机前后的空气的压力差别较小。而飞机作超音速飞行时,机头、机翼、机身、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。当前激波经过时,空气压力突然增高,经过之后压力随即平稳下降,以至降到大气压力以下。然后当后激波经过时,压力又突然上升,逐渐恢复到大气压力。前后两个激波经过时的间隔约为012~022秒。如果飞行的飞行高度不太高,我们就可以在激波经过瞬间,听到好似晴天霹雳的雷声或象炮弹爆炸的声音,这就是超音速飞机飞行中的所谓“爆音”。由于有前后两个激波,所以我们能够听到短促的两声爆音。

爆音与飞行高度、速度有关。在同样飞行速度下,飞行高度低,地面受激波就强,反之就弱。同样,在高度相等,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,产生的爆音能震塌建筑物。

子弹和声音谁跑得快

一放枪,子弹“嗖”地飞出去了,同时有很响的声音发出。

子弹在飞行的时候,不断地冲击着空气,同时伴随着呼啸声。

有人说,子弹射出枪口的速度大约是900米/秒,声音在空气中传播的速度一般是340米/秒,子弹的速度是声速的2倍多,当然是子弹跑得快。

真是这样吗?我们再来看看,子弹在飞行过程中,不断地跟空气发生摩擦,它的速度会越来越慢;可是声音在空气中的速度,一般却很少变化。那么到底是谁跑得快呢?

还是让我们来看看子弹和声音的赛跑吧!

第一个阶段,从子弹离开枪口到600米内的距离,子弹飞行的平均速度大约是450米/秒,子弹跑得比声音快得多,遥遥领先。在这段距离里,如果听到枪声,子弹早已越过了你,飞到前面去了。

第二阶段,从600米到900米的距离里,由于空气的阻力使子弹的速度减慢,子弹已经不及声音跑得快了,这时,声音逐渐赶了上来,两个赛跑者几乎肩并肩地到达900米的地方。

第三阶段,在900米以后,子弹越跑越慢,声音后来居上,终于超过了子弹。到了1200米的地方,子弹已经累得精疲力竭,快要跑不动了,声音却远远地跑在前面了。这时候,如果你听到了枪声,子弹还没有到你的面前哩!

赛跑的结果,子弹只能获得900米以内的冠军,而最后的冠军却属于声音。

小巷深处的脚步声

夜晚,一个人在小巷里行走,除了自己的脚步声以外还会听见一种“咯咯”的声音,好像有人跟着似的,总让人有点提心吊胆,莫名紧张起来。

其实,你只要懂得了其中的科学道理,就不会再疑神疑鬼了。人在地面上走,会发出脚步声,脚步声碰到小巷两侧的墙壁,就像皮球似的被弹回来,形成回声。大白天,人来人往,回声被来来往往行人的身体吸收了,或者被周围的嘈杂声淹没了,因此只能听到单纯的脚步声。

在夜深人静的时候,情形就不同了。这时,人在小巷里走,除了听见自己的脚步声,还能够清晰地听到小巷两侧墙壁反射回来的回声。小巷很窄,脚步声的回声碰到墙壁后,还会继续发生反射,巷子越窄,反射的次数也就越多,这时可以听见一连串“咯咯”的回声,这叫做颤动回声。

在我们生活中,任何现象和事物都包含有一定的科学道理,只要你平时做个有心人,多开动脑筋,就会从你的身边,学到更多的科学知识。

用超声波清洗精密零件

随着科学技术的发展,“精密零件的清洗工作也越来越重要。对于那些形状复杂、多孔多槽的零件,像齿轮、细颈瓶、注射针管、微型轴承、钟表零件等,用人工清洗,既费时又费力。对于一些特别精密的零件,像导弹惯性制导系统中齿轮等部件,不允许沾染一点污垢,用人工清洗又难以达到清洗标准。

如果请超声波帮忙,问题就能迎刃而解。只要把待洗的零件浸到盛有清洗液(如皂水、汽油等)的缸子里,然后再向清洗液里通进超声波,片刻工夫,零件就洗好了。

超声波为什么有这种本领呢?

原来,清洗液在超声波作用下,一会儿受压变密,一会儿受拉变疏,液体可受不了这番折腾,在受拉变疏时会发生碎裂,产生许多小空泡。这种小空泡一转眼又会崩溃,同时产生很强的微冲击波。这种现象在物理学上叫空化现象。因为超声波的频率很高,这种小空泡便急速地生而灭、灭而生。它们产生的冲击波就像是许许多多无形的“小刷子”,勤快而起劲地冲刷着零件的每一个角落。因此,污垢很快就被洗掉,绝对令人满意。如洗手表,人工洗要一件件卸下来,功效很低。用超声波洗只要把整块要芯浸到汽油里,通进超声波,几分钟就能洗好。

火车的汽笛声为何会变调

自然界有各种各样的声音,有的声音高,有的声音低,我们就说它们的音调不一样。音调高的声音,振动的频率就高,例如吹哨子声音,音高就高,听上去比较尖;音调低的声音,振动的频率就低,例如打鼓的声音,音调就低,听起来比较低沉。

火车汽笛声的音调应该是固定的。但是,细心的人会发现,火车驶来时,汽笛声要尖一些,也就是说音调要高些;开过以后,汽笛声就变得低沉些,也就是说音调要低些。

这是什么缘故呢?

问题的关键在于声源和观察者之间有相对运动。本来汽笛声有一定的频率,声波中的“疏”和“密”是按一定距离排列的。可是当火车向你开来时,它把空气中声波的“疏”和“密”压得更紧了,“疏”和“密”的间隔更近了。

因此,相对于观察者来说,就是声音的振动频率加快了,音调也就高了,听到的声音就尖一些;当火车离开你时,它把空气中声波的“疏”和“密”拉开了,“疏”和“密”的间隔远了,因此,相对于观察者来说,就是声音的振动频率减慢了,音调也就低了,听到的声音就变低沉了。火车的速度越大,音调的变化也越大。天天和火车打交道的铁路工人,有着这方面的丰富经验,他们能从汽笛音调的变化,估计出火车的快慢和行驶的方向。

在科学上,当波源与观察者有相对运动时,观察者接收到的频率和波源发出的频率不同的现象,叫做多普勒效应。

汽笛音调的变化是多普勒效应的一个实例。

在天文学上,根据多普勒效应,可以准确地计算出天体相对于地球运动的速度。人造卫星的运动速度也是利用多普勒效应测定的。人体血管中的血流速度也可利用多普勒效应测定。

贴在钢轨上听远处的火车声

要知道远处是否有火车驶来,有经验的铁路工人或旅客往往将耳朵贴在钢轨上倾听。如果听到声音,火车不久就会呼啸而来。这是为什么呢?原来,这与声音的传播速度有关。