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关于声音你应该知道的一切 · Everything You Should Know About Sound
原文:https://waitbutwhy.com/2016/03/sound.html · 2016-03-09
这篇是「迷你周」的一部分——本周每个工作日我都会发一篇迷你新文,不过事实证明其实一点也不迷你。
我一直对声音这东西有点搞不清楚。所以为了「周二」的「迷你」文,我决定弄明白它。
我们通常把声音想成是我们听到的东西——是发出噪音的东西。但从纯物理的角度看,声音只是一种穿过物质的振动。
振动「穿过」物质的方式,就是声波的形式。当你想到声波时,你脑海里浮现的大概是这种东西:1
但声波不是这么工作的。像这样的波叫做横波 (transverse wave),每个粒子上下运动,形成一条蛇的样子。
声波更像一条蚯蚓:2
就像蚯蚓一样,声音通过压缩和舒张来移动。这叫做纵波 (longitudinal wave)。一个弹簧玩具 (slinky) 两种波都能演示:13
声音起始于某种振动,它在物质中产生一个纵波。看这个:4
这就是声音的样子——只不过你要想象成一圈不断向外扩张的球体在这么做。在这个动画里,声波是由左边那根振动的灰色条产生的。那根条可能是你的声带、一根吉他弦,或者一道不停砸向下方河面的瀑布。看那些红点你就能发现,虽然波在朝一个方向移动,但每个单独的粒子只是来回振动,模仿着灰色条的振动。
所以声波并不是弯弯曲曲的蛇形波,而是一种压力波,它会让空气的每一小块要么处于比正常压力更高的状态,要么处于比正常压力更低的状态。所以当你看到那种蛇形的声波示意图时,它其实指的是压力的度量,而不是粒子实际的运动轨迹:5
声波可以穿过空气,这是我们通常体验它的方式。但它也可以穿过液体2 或固体——地震中很多剧烈的震动其实就是一个巨大的声波在地球里穿行的结果 (在这种情况下,断层的运动就相当于上面动画里的灰色条和红点)。
那声速呢?这取决于压力波在特定介质中能传播多快。像空气这种流动性较强的介质,压缩性很高,所以波传播需要更长时间;而水的压缩性差得多,拖慢波的"回旋余地"就少。这就像两个人抻着一根弹簧圈 (slinky)——如果一个人把自己那端往对方推,波要花点时间沿着弹簧传过去,对方才能感觉到。但如果两个人拿着一根扫帚柄,一个人一推,另一个人立刻就能感觉到,因为扫帚柄的压缩性小得多。6
所以这也就说得通了:声音在空气中的传播速度(正常条件下 768 英里/小时 / 1234 公里/小时)大约比在水中慢 4 倍,而水中的声速又比在铁这种固体中的声速慢约 4 倍。
回到我们和听觉。耳朵是一项演化创新,让我们能捕捉到周围空气中的声波并把它们当作信息来处理——没有耳朵,大多数声波对人类来说是感知不到的,只有最响的声音才能作为一种震颤在我们皮肤上被感受到。耳朵赋予了我们一种神奇的能力:哪怕是极其微弱的声波也能感知到,而且感知得如此细腻,通常能准确告诉我们声音来自哪里、是什么意思。它还让我们能说话。人类最重要的一种交流方式,就发生在我们的大脑通过复杂的气压波模式把信息传递给另一个大脑的时候。你有没有停下来想过这有多不可思议?
我本来想接着往下讲,但抱歉,我没法就这么略过。下次你跟别人说话时,我希望你停下来想一想正在发生的事情。你的大脑产生一个想法。它把这个想法翻译成一种压力波模式。然后你的肺把空气送出体外,与此同时,你以恰到好处的方式振动声带,把嘴和舌头摆成恰到好处的形状,以至于空气离开你身体的时候,已经被嵌入了一整套高压区和低压区的模式。空气中的这段代码接着扩散到附近所有的空气里,其中一小部分进入了你朋友的耳朵,经过他们的鼓膜。到达时,它以某种方式振动他们的鼓膜,不仅传达了代码本身,还包括它来自房间的哪个方位、带着怎样的语调。鼓膜的振动通过三块小骨头传进一个装满液体的小囊,小囊再把信息转换成电脉冲,沿听神经上传到大脑,信息在那里被解码。而所有这些都在八分之一秒内完成,你们俩谁都不用费一点力气。说话是一个奇迹。
好吧,继续——
耳朵能分辨出所听声音的许多特性,但其中最基本的两个是音高和响度。
音高
音调完全取决于波长——也就是压力波之间的距离:7
波长越短,音调越高。人类能听到的频率最低是 20 赫兹(对应 56 英尺 / 17 米长的波),最高是 20,000 赫兹(0.7 英寸 / 1.7 厘米)。随着年龄增长,你会失去听到最高音调的能力,所以你们大多数人在听接近 20,000 赫兹的频率时估计什么都听不见(你家的狗不会同意)。不过听到最低那部分范围要容易得多。8 你之所以能感觉到低频声音——比如音乐里的低音贝斯——是因为波长实在太长了,一整个波经过你的身体需要 1/20 秒(所以叫 20 赫兹嘛)。34
响度
我们听到的声音的响度5由压力波的振幅决定。在上面的动画里,展示的高音和低音响度是一样的,因为动画底部的压力曲线在垂直方向上大小相同。更响的声音在波的低压和高压部分之间的振荡更大——也就是说,响声的高压部分更高、低压部分更低,而轻声则相反。
对于在地球表面空气中传播的声音来说,压力波高压部分和低压部分的平均值就是我们的正常大气压——我们称之为 1 个"大气压"。所以一个声波的高压分量可能是 1.0001 个大气压,低压分量是 0.9999 个大气压,而更响的声音可能是 1.01/0.99——但两种情况下,两者的平均值都是 1 个大气压。
我们经常用一个叫分贝(以亚历山大·格拉汉姆·贝尔的名字命名)的单位来测量响度。如果你想被搞晕,可以去读一下维基百科上关于分贝的页面。这是个超级恶心的单位。与其解释它把咱俩都无聊死,不如直接聊聊我们怎么用分贝来测量声音吧。
响度的下限极其之小。最微弱的声音要比任何人类能听到的都轻得多——甚至比我们最精密的科学仪器能探测到的都还要轻。但是根据你所处的位置,声音有一个明确的上限。原因在于声音本身并不是一个"东西"——它是穿过介质的压力波。而且正如我们刚才所说,声波高压点和低压点的平均值必须等于介质的正常压力,所以响度受限于一个事实:低压点最终会触到零压力——也就是真空。既然低压不能再更低了,那这个点就决定了声波的最大振幅,也就决定了在任何给定位置声音能达到的最响程度。
用分贝 (dB) 的好处在于:人耳能察觉到的最微弱声音,按定义就是 0 dB —— 我们叫它「听觉阈值」。科学家想尽办法去研究 远低于 0 分贝的负值声音,地球上也有一些 人造房间 能低至 -9.4 dB —— 里面安静到你能听见自己大脑里血液流动的声音 —— 但我们人耳只能听到正值分贝的声音。地表能维持的最响声音是 194 dB —— 此时声波的振幅大到低压部分是一个完美的真空 (声波在双倍大气压和完全没有空气之间来回震荡 —— 你绝对不想在场)。我们从最安静的一头开始,看看整个尺度吧。
要记住一点:分贝是每增加 10 dB,响度就 翻倍。所以 20 dB 是 10 dB 的两倍响,30 dB 是 10 dB 的四倍响,80 dB 比 10 dB 响 128 倍。69
尺度停在 194 是因为地表不可能存在比这更响的声音。不过我们可以用两种方式突破这个上限:
1) 冲击波
当释放的能量超过 194 dB 时,就没法再形成持续的压力 波 了,因为低压端已经触底 —— 但事情还是 会发生。而且是非常非常猛烈的事情。
在 194 dB 时,已经是一个在双倍大气压和完全真空之间来回震荡的极限波 —— 而一旦达到 195 dB,能量就不再 穿过 空气传播,而是开始 推着 空气向外扩张,形成一个不断膨胀的真空。超过 194 dB 越多,这个真空气泡波及范围越广、冲击力越强。它会以一个快速膨胀的半球形向外扩展:10
气泡的边缘是一层被超压缩的气体屏障,当这道屏障扫过地面时,通常会把沿途的一切都夷为平地:11
随着这个半球不断膨胀,它会损失能量,最终消散。但如果你在它消散之前恰好挡在冲击波的路径上,那你就惨了。首先,这堵超高压缩的空气墙撞上你时,感觉就像撞上砖墙(同样的道理,也就是为什么从桥上摔到水面上跟摔到水泥地上没啥区别)。其次,被压缩的空气是滚烫的。第三,它不只是打在你身上,而是会穿过你的身体,如果威力够强,它能把你的骨头碾成粉末,把你的器官打成一锅粥。
下面是一些著名的 194 分贝以上的事件:
土星五号 (Saturn V) 发射: 土星五号是个庞然大物,发射时产生的声波强到能在一英里外把草点燃。即便在三英里外,观察者也会体验到震耳欲聋的 135 分贝噪音。12 火箭发射产生的声音如此强大,以至于航天机构会在发射时往发射台上灌水来吸收声音,防止压力波的冲击力损坏火箭本身。
广岛和长崎的原子弹: 根据我查到的资料,这两颗炸弹的声压远超 200 分贝。冲击波强到能在 30 秒内传播 7 英里 / 11 公里。
1883 年喀拉喀托火山 (Krakatoa) 喷发:13 关于喀拉喀托,我要告诉你的东西多到我自己都招架不住。咱们直接上要点吧。
- 喀拉喀托 (Krakatoa) 是印度尼西亚的一座岛,火山喷发发生在 1883 年 8 月 27 日。
- 这次喷发把整座岛彻底夷平,以每秒半英里的速度将巨量碎屑抛到 17 英里 (27 公里) 高空。它还引发了历史上最致命、影响范围最广的海啸之一。喷发总共造成 36000 人死亡。
- 但这次喷发最惊人的地方是它的声音。它可以说是现代史上地球上最响的一次声音。
- 它响到冲击波传到 40 英里外时,还能震破水手的耳膜。
- 在 100 英里外,声音仍然有 172 分贝,足以永久性毁掉一个人的耳朵甚至致人死亡。不管你现在在哪儿,想想一个离你大约 100 英里 (161 公里) 的地方。现在想象那儿发生了某件事,产生的声音传到你所在的位置时,如果你正对着某人的耳朵扯着嗓子大喊,声音到达的那一刻,对方根本听不到你在喊。作为对比,土星五号发射时的声音在 100 米外是 170 分贝。喀拉喀托在 100 英里外都比这还高。
- 这声音把 300 英里 (483 公里) 外一堵一英尺厚的混凝土墙给震裂了。
- 一路传到澳大利亚都还听得见(在那儿听起来像是远处一发炮弹在响),甚至传到了 3000 英里外的罗德里格斯岛。3000 英里外啊。我现在人在纽约。想象一下如果加州或者欧洲发生了什么事,我在纽约能听见。我真是……没法接受这个事实。
- 等到声音终于远到人类耳朵听不见之后,接下来几天全世界的气压计都在疯狂跳动,因为声波绕着地球转了 3.5 圈。
- 最后,你知道那幅著名的画《呐喊》吗?就是那幅天空莫名其妙一片通红的?天空之所以是红的,是因为画家爱德华·蒙克 (Edvard Munch) 在喀拉喀托喷发后的那一年,看到整个西半球被火山灰染红的天空,才有了创作的灵感。
那真是一场大爆发。
2) 其他介质
比 194 分贝更响的声音是可以存在的——只是不在地球表面。海洋里、地底下、或者其他行星上,可以有更响的声音。比如太阳系里的气态巨行星,大气比地球稠密得多,能承受更高振幅的压力波,再加上快到离谱的风和威力惊人的风暴,那里有大把机会制造超响的动静。
而太空中几乎其他所有东西都不响。你大概听过一句话「真空中没有声音」,现在听着就有道理了吧?声音是穿过物质的压力波。没有物质,就没有声音。可以有极端的高温、辐射、作用力,但对一个在附近围观的人类来说,一切都是死一般的寂静。
假设,宇宙中真的充满了空气,那事情就会立刻变得超级吵。别提超新星爆发的声音这种恐怖概念了——就那颗傻乎乎挂在天上的太阳,声压级就能达到惊人的 290 分贝。根据一位太阳物理学家的说法,我们在地球上听到的会是 100 分贝的声音——相当于一辆摩托车的音量——而且是无时无刻、无处不在。庆幸声音不能在真空中传播吧。
最后再说一个想法——
为写这篇文章做研究、了解声音到底是什么之后,我对那个「森林里一棵树倒下,却没人在场听见,它是否发出了声音」的问题有了新的看法。我现在觉得,不,它没有发出声音。它只是产生了一个空气压力波,仅此而已。声音这个概念,按定义来说,就是一个生物对压力波的感知——如果周围没有耳朵去感知这个压力波,那就没有声音。这有点像在问:「如果人类灭绝了,在末日废墟的某处,躺着一张美女的照片——她还美吗?」我觉得她不美了。因为她之所以美,唯一的原因就是人类觉得她美,没有了人类,她就不比几英尺外那只在废墟里翻找的雌性甲虫更美。对吧?
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参考资料 超棒的 GIF 动图:Dan Russell 和 ISVR 美国疾控中心 (CDC):噪声与听力损失预防 美国劳工部:职业性噪声暴露 Nautil.us:响到绕地球四圈的声音 新南威尔士大学 (UNSW):什么是分贝? Decibelcar.com:分贝等效对照表 Make it Louder:终极声压级分贝对照表 NASA:消声测试释放洪流 Idiom Zero:太阳有多响? Gibson.com:可能会很吵:史上最响的 10 支摇滚乐队 GC Audio:分贝(响度)对照表 Mathpages.com:声速 Turn it to the Left:噪声级 Extreme Tech:足够响的声音能杀死你吗? Abelard.com:响亮的音乐和听力损伤 Soundproof Cow:有史以来听到的最响的声音 查尔姆斯理工大学 (Chalmers):量子麦克风捕捉极其微弱的声音 born.gov.au:喀拉喀托火山爆发,1883 年 8 月 27 日
冷知识:地球上最响的动物是蓝鲸,它的叫声能达到夸张的 188 分贝,远比喷气发动机还响。↩
如果你想亲眼看看这种效果,去看这两个哥们坐在车里放着响到令人发指的重低音——在 2:11 那一刻,你能看到那哥们的衬衫以每秒约 20 次的频率被高低压空气吹得来回抖动(只看我定位的那 10 秒就行——我把整个视频都看完了,那些时间我再也拿不回来了)。↩
另外——狗哨对我们来说是无声的,但对狗有效,因为狗能听到高达 44,000 赫兹的音调。猫还能听得更高——最高到 79,000 赫兹。但这两种动物都听不到我们能听到的那么低的音。事实上,它俩连钢琴最低的七个键都听不见——谁能想到呢。↩
一开始我这里用的是 "volume(音量)",但在谈论自然界时用 "音量" 感觉怪怪的——比如你不会说 "那个瀑布的音量是多少?"。所以 "音量" 是不是只用于音响这类人造物?反正,我们这里就用 "响度 (loudness)" 了。↩
每提高 10 分贝,声波的声强(即功率)会乘以十——不是二。但功率提高 10 倍,在我们耳朵听来只是响了大约 2 倍,所以对我们来说,2 倍这个说法更贴切。↩
GIF: Dan Russell↩
这个类比要感谢 Christopher Reiss。↩
感谢评论者 rebel28 建议加上音高的链接。↩
这张表格的信息来源列在下面。每一条我都尽量找了好几个都能对上同一个数字的来源。总的来说,网上关于分贝数值的分歧之大,真是让人吃惊。↩
我找不到原始出处。↩
http://s73.photobucket.com/user/rocket9244/media/Hiroshima-the-shockwave.gif.html↩
