案例一:传播速度
战争年代,侦察兵趴在地上用耳朵听声音,判断敌军的距离和数量;又或者趴在铁轨上听,判断火车的距离?
为什么?
声音在固体中传播要比气体中快得多,同时在空气中衰减也会更大。
同理,在工厂,我们判断运转设备的故障的时候,经常用到听针或者听棒,一头抵在设备上,一头贴着耳朵,可以听到设备本体的细小声音。
案例二:多普勒效应
在马路上,一辆跑车飞速的经过你,然后又离你而去。在这个过程中,你听到的声音先是逐渐增大的刺耳的声音,然后逐渐减缓直到消失。
为什么?
这就是多普勒效应,是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒首先提出的理论。
在声源向观察者移动时,由于声源本身在动,所以观察者接受的声音频率就在不断变化,声源靠近时频率增加,声源远离时频率减少,我们就会听到不同的声音。而当声源和观察者都固定不动时,就会听到稳定的声音。
医院的彩超也是应用的这一原理。具体来说,当声源与接收体(即探头和反射体)之间有相对运动时,回声的频率有所改变,此种频率的变化称之为频移,根据频移的大小,可以计算出反射体的位置,体现在彩超图中。
为了检查心脏、血管的运动状态,了解血液流动速度,可以通过发射超声来实现。由于血管内的血液是流动的物体,所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时,反射波的波长被压缩,因而频率增加。血管离开声源运动时,反射波的波长变长,因而在单位时向里频率减少。反射波频率增加或减少的量,是与血液流运速度成正比,从而就可根据超声波的频移量,测定血液的流速。
案例三:地震时动物反应快?
人的耳朵可以接收到的声音频率为20~20000赫兹,因此我们把频率>20000赫兹的波称为超声波,把频率<20赫兹的波称为次声波。
1.超声波
超声波频率高,波长短,传播时方向性好,而且穿透本领强,使得其用于探伤、定位等技术领域,如上述案例的测血流速度。
(1)超声波在介质中传播时,在不同质界面上具有反射的特性,如遇到缺陷,缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时,则超声波在缺陷上反射回来,探伤仪可将反射波显示出来;如缺陷的尺寸甚至小于波长时,声波将绕过缺陷而不能反射;
(2)波声的指向性好,频率越高,指向性越好,以很窄的波束向介质中辐射,易于确定缺陷的位置.
(3)超声波的传播能量大,如频率为1MHZ(1兆赫兹)的超声波所传播的能量,相当于振幅相同而频率为1000HZ(赫兹)的声波的100万倍。
2.次声波
在自然现象中, 地震、火山爆发、风暴、雷暴、磁暴、海浪冲击、河水流动、机械振动等都会发生次声波。
次声在空气、水、地面等介质中传播时, 能量衰减缓慢, 因而次声波传播距离很远。例如, 一枚4 千克的炸弹爆炸时, 几千米远处就听不见爆炸声了, 但是由于爆炸引起的次声波却能传播到80 千米以外。原子弹爆炸的巨响, 至多传播不过几十千米, 这是由于空气和水都能吸收声波的缘故。而原子弹爆炸产生的次声波, 空气、水、地面对它的吸收能力较差, 所以它可绕地球好几圈, 行程几十万千米。1883 年苏门答腊和爪哇之间的一次火山爆发产生的次声波绕地球三圈, 历时108 小时。
次声波的穿透能力很强, 可以穿透建筑物、掩蔽所、坦克和潜水艇等障碍物。而声波的穿透能力就很差, 频率为7000 赫兹的声波, 用一张厚纸就可以隔挡住。
频率为7 赫兹的次声波, 用一堵厚墙也不能隔挡住。次声波可以穿透几十米厚的钢筋混凝土的建筑工事。由此可见, 次声波有穿墙入缝的本事。
次声波的频率与人体的固有频率相近, 人体各器官的固有频率为3 ~17 赫兹( 腹部内腔的固有频率为4 ~6 赫兹, 头部的固有频率为8 ~12 赫兹) 。当某频率的次声波进入人体时, 人体内相应的器官就会发生共振, 引起人体功能失调或损坏, 轻者全身不适, 头晕恶心。如果次声波的功率很强, 人体受其影响后, 便会呕吐不止、呼吸困难、肌肉痉挛、神经错乱、失去知觉, 甚至血管破裂、内脏损伤而立即毙命。
次声波在探测气象、地震及军事等方面得到广泛应用。地震时会发出次声波,能够被动物听到,因此会比人类提前表现出不安的状态。