书城童书物理知识知道点:走进声音世界
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第30章 声的衍射

据《史记·项羽本纪》记载,汉五年(前202)十二月,西楚霸王项羽被汉王刘邦打败之后,被困在垓下(今安徽灵璧县东南)城内。夜晚,忽然从城外传来众人齐唱的楚地民歌。项羽闻之大惊,以为汉军全部占领了楚国,自己已经四面受敌,走投无路,于是率兵突围,最后自刎于乌江。这就是历史上有名的“四面楚歌”的故事。

上面的故事大家是熟悉的,可是你有没有想到过这样一个问题:高大坚实的垓下城墙,能够阻挡住汉军的千军万马,为什么它却不能挡住城外的歌声呢?这歌声又是怎样传到城内让城下人们听到的呢?

问题的答案是显而易见的:城外的歌声是绝不会从城墙中穿透过去,它只能是从城墙上方绕过城头传播过去的。声波这种绕过障碍物传播的特性,叫做声的衍射。

声波发生衍射是有条件的。为了说明这一点,我们先来看一个水波的例子:把一个石子投入湖中,水面上便会荡起环环绿波。水波在传播过程中,如果遇到一根飘浮的长木条,水波便会被阻挡住,而在木条后面形成一块没有水波到达的“阴影区”。可是当水波遇到一根细木桩时,它却能绕过木桩,到达它后面的任何地点,“阴影”消失。可见,水波的衍射是和障碍物的大小有关的。

同样,声波发生衍射也和障碍物的大小有关。当声波在传播过程中遇到大的障碍物(如高耸的楼房)时,它就会受到阻挡,而在障碍物的后面形成“阴影”,人们在“阴影”里是听不到声音的。如果障碍物较小,情况就不同了,声波可以绕到障碍物后面的“阴影”区域中去,而被人们收听到。

那么,障碍物的“大”或“小”,又如何区分呢?科学家为它找了个尺度,这就是声波的波长。所谓“波长”,就是声源每振动一次,它所产生的声波向前传播的距离。我们平常听到的声音的波长,因声音频率的不同而不同,一般在几米到十几米之间。凡尺寸远大于声波波长的障碍物,就被认为是大障碍物,否则就被视为小障碍物。

由于声波的波长比较长,可以和一般障碍物的尺寸相比拟,所以在日常生活中很容易观察到声波的衍射现象。例如,人们隔墙可以听到墙外面的声音,站在圆柱后面的人,可以听清对方的讲话等,都是由于声音的衍射造成的。

其实,声波在传播过程中,不仅遇到较小障碍物时能够产生衍射,就是遇到口径与声波波长接近或者更小的孔洞时,也会产生衍射。我们开着窗子可以听到邻室发出的声音,人们通过门上钥匙孔或狭缝,可以在门外听到室内谈话的声音等,就是常见的例子。人在讲话时,由于嗓音的波长比嘴巴大,因此他所发出的声波就会产生衍射,结果这声音不只是传向前方,也传向其他方向。这就是为什么一个人讲话时,我们无论站在他的对面、身旁甚至身后,都能够听清楚他讲话的声音的原因。