书城童书物理知识知道点:走进声音世界
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第20章 声的功率

声音在介质中的传播取决于介质的质量,更确切些说,取决于密度和弹性。因而,声波的速度是这两个参数的函数。

虽然弹性的定义对固体和流体(液体和气体)来说是不同的,但是上面所说的关系在所有情况下都是正确的。

因此,声速随着弹性增加和密度减小而增大。因为固体和液体的密度大,气体的密度小,因此可以设想,声速在固体和液体中小一些。但是,固体和液体的弹性要超过气体的弹性许多倍,这又决定了声速在这些介质中比在气体中更大。例如,声速在钢中等于5050米/秒,在海水中约为1500米/秒,而在空气中约为340米/秒。但是,另一方面由于铅的弹性很小,声音在铅中的传播速度只有1200米/秒,几乎等于声音在氢中的速度(1270米/秒),而氢,大家都知道,是一种密度非常低的气体。

声音传播的频率、波长和速度的相互关系如下:

频率=速度/波长。

频率可用每秒钟的振动数(通过某点的波数)测量。频率测量单位用赫兹,简称赫(1赫相当于每秒钟振动1次)。根据上述公式可以得知,以频率1000赫传播的声音波长,在钢中为5.05米,在空气中为0.34米。频率为10000赫时,波长相应为50厘米和3.4厘米。

由同一公式显然可以看出,谐振器的“行为”(其固有频率)恰恰取决于声速度,因为在谐振结构中传播的声音波长受到谐振结构的严格决定。如果我们能够在氢的大气中演奏小提琴,那么就会获得像尖叫声一样频率很高的声音。在含有大量氦的空气中呼吸的潜水员的噪声可作为上面所说的一个很好的例证。他们的嗓音变得像迪斯尼的动画影片中的人物唐老鸭一样非常尖细,含糊不清。因为人的发音系统的谐振频率在含有大量氦的空气中,比在通常的空气中要高出许多。

声音的速度、波长和频率是以一定数值表示的十分明显的参数。对声音的功率作定量的估计就比较难,有两个原因:首先,声音的功率同其他形式的能比起来是太小了。例如,在A·沃德《音乐物理学》一书中指出,50000个球迷在1.5小时足球赛中喊叫的声能,只能烧热一杯咖啡!对放大器的功率作出估计则简单得多(每个无线电爱好者都能做)。声频放大器的功率很低,例如,对于光能或热能,10瓦是非常小的量(试设想10瓦的电灯泡),但10瓦声频放大器的音量却足以保证许多人听得清。

第二个原因实质上是第一个原因的后果。虽然声功率值的上限不大,但是功率从刚能听见的声音到上限的变化范围很大,大到几乎难以置信的程度。大多数人在日常生活中经常碰到的功率最大的声音,或者使人受到刺激,或者能使耳朵产生痛楚。但是,即使使耳朵产生痛苦感觉的声音功率降低十万亿倍,这种声音仍然具有足以在空气中传播的强度。

我们用来对声音强度作客观标度的量,应是我们主观感受的反映。通常用的是对数标度。例如,如果一种声音的功率比另一种声音的功率大10倍,通常认为第一种声音的强度比第二种声音大10分贝;如果大100倍,则为20分贝;大1000倍,则为30分贝;依此类推。换句话说,声音功率的比率每增加10倍,用分贝表示的声音强度也增加10。

但是,用这种方法获得的不是绝对的标度,而不过是相对的标度。必须在一定程度上标出零强度级,以便由此计算读数。这个级是在主观指数——人耳的最小听阈基础上选择的,其客观值等于10~12瓦/平方米。这种声音的强度被取作0分贝。功率大10倍的声音,声强级为10分贝;大100万倍的为60分贝;大10亿倍的(这种声音使我们感到痛楚)为130分贝(相当于10瓦/平方米)。