聲波傳播之怪現象

汪 鵬

1921年5月9日,莫斯科附近發生一次大爆炸,在半徑70km的范圍內,爆炸聲聽得很清楚;再遠一直到160km的范圍內都是寂靜區;然后直到近300km遠處,又可以聽到爆炸聲。為什么會出現如此奇怪的現象呢?原來這與聲波在空氣中的折射有關。

聲波是聲源的振動以波的形式在媒質中傳播形成的。由波的折射定律可知,當波從第一媒質射入第二媒質時,入射角(i)的正弦與折射角(γ)的正弦之比等于第二媒質對于第一媒質的相對折射率n,即n=sini/sinr.當n>1時,i>γ,折射波線相對于入射波線更靠近法線;當n<1時,i<γ,折射波線相對于入射波線更遠離法線。

在烈日炎炎的白天,聲波在空氣中傳播時,在離地面20km以下的區域,由于地面接受太陽的輻射而溫度較高,從而越靠近地面,空氣越稀薄,折射率也越小;而在地面40km以上的高空,這一層大氣由于強烈吸收紫外線而使氣溫升高,從而讓空氣折射率開始減小。因此,從地面開始,空氣密度由稀到濃再到稀,折射率也由小到大再到小,這樣,當出現聲強很大的聲波(如大爆炸)時,聲波先沿靠近法線的方向折射傳播,讓聲波迅速上升到高空,到底40km的高空后,聲波再沿遠離法線的方向折射傳播。經過連續偏折后,聲波又會折回地面,這樣從聲源到折回地面的聲波之間,就會出現無聲區。聲波折回地面后,經過地面反射再進入高空,再一次反射回來,從而出現第二個無聲區。以此類推,也就出現了文章開頭的靜鬧相間的怪現象了。

如果聲音強度較小時,又會出現什么現象呢?聲波從聲源向四周傳播時,聲波還是會先沿靠近法線的方向偏折,讓聲波迅速向高空傳播,但是由于聲音強度不大,聲波傳播不到40km的高空就已經衰減完畢,所以,聲波的水平傳播距離變小,也不會出現靜鬧相間的現象了.這種現象在烈日炎炎的沙漠中尤其明顯,兩個相距幾十米的兩人即使大喊大叫,往往也是只見其人而不聞其聲。在我們日常生活中也有這種現象,如地面上的人叫住在高樓上的人時,容易引起其注意,而反過來,樓上的人叫樓下的人時,往往聽聞不佳。這就是因為處于高處的人講話時,聲音迅速向更高處傳播了,而很難再回到地面。

而在晚上,由于地面氣溫的降低,越靠近地面,空氣的折射率越大,這樣,聲音的傳播就與白天時恰恰相反了。這就是為什么在氣溫較低的早晨或在寒冷的冬天,聲波可以傳播到很遠的原因之一。

晝近夜遠傳聲響,靜鬧相間怪現象.其實,只要我們認真分析,仔細推敲,這些生活中的怪現象是可以用科學來進行解釋的。

作者單位:廣東佛山順德樂從中學