神奇的聲現象

劉慶賀

第二次世界大戰期間，美、蘇科學家分別發現，大洋深處有一些水域可以讓聲波傳得很遠。在這些水域里聲音可以傳播數千公里而不減弱，科學家把這些水域稱作深海聲道。

海水里聲速基本上由溫度和海水壓力控制：溫度越低，聲速愈慢；海水壓力越大，聲速愈快。大洋中海水溫度是由太陽照射造成的，因此溫度隨深度增加而降低，但是海水壓力卻在增加。所以由海面向下觀察就會發現，聲速先是隨深度增加、溫度降低而變慢，當達到最低值時，溫度不再改變，這時聲速就會隨海水壓力增大而變快。

于是，聲波傳播速度在整個大洋變成上下兩層，兩層交界處就形成了特殊的聲道軸，由于聲波在傳播時總向聲速慢的界面彎曲，因此聲道軸上下方的聲音都會折回聲道軸；于是乎，聲能被限制在聲道軸上下一定深度范圍內傳播不接觸海面與海底，這就像在聲道軸上下各放一塊反射聲特別好的擋聲墻，聲音總是在兩塊擋聲墻之間反射，能量不受損失，可以傳播很遠。這就形成了“深海聲道”。

后來的科學家還為此做過一次實驗，他們在澳洲南部海中投下深水炸彈，爆炸產生的聲波順著深海聲道繞過了好望角，又折向赤道，橫穿大西洋，經過3小時43分鐘后，竟然被北美洲百慕大群島的測聽站收聽到了。計算起來，這顆炸彈爆炸后的聲波一共“走”了1.92萬公里，在海洋中繞地球達半圈！

通過這個特殊的聲道，我們在上海講話，大洋彼岸的舊金山都可以聽到，只不過一方說過話之后，另一方要3個多小時才能收到。

如果船舶或飛機在大洋中失事，若無法用無線電發出求救信號，則可以向深海投擲炸藥包作為呼救信號。2千克炸藥在1千米深的海洋中爆炸時，發出的聲波可傳播到幾千米之外。由幾個海岸監聽站從不同位置收到的報警聲，就能較準確地測定失事地點并組織營救。用同樣的辦法也可以測定洲際導彈或宇宙飛船返回時的濺落位置。

聲音與飛機的較量

早期的飛機都是用螺旋槳做推進器的，這種飛機可以達到每小時700多公里的速度，比汽車要快得多。可是人們還不滿足，聲音每秒可以“跑”340米，照這樣計算一小時就可以“跑”1 200多公里，飛機能不能追上聲音呢？為了達到這一目的，人們設計了一種新式的飛機，這種飛機不用螺旋槳推進，而是靠向后噴射大量高壓氣體產生的反沖力向前飛行，這就是大家熟知的噴氣式飛機。第一架噴氣式飛機的速度一下子提高了很多，以后經過不斷改進，竟可以達到每小時975公里。看來在這場人類同大自然的賽跑比賽中，飛機要超過聲音了。然而意想不到的事情發生了。當試飛的噴氣式飛機速度繼續增大時，突然發生了一陣雷鳴般的巨響，一眨眼，正在飛行的飛機被炸得粉碎，好像撞上了一座大山似的。以后又連續發生了幾起類似的爆炸。飛機設計師、工程師和物理學家對這件怪事作了深入的調查研究，終于找到了兇手——空氣，是空氣墻把飛機撞碎了。

原來一切物體，包括飛機在內，在空氣中運動時，都會給前面的空氣以一定的壓力，使物體前面的空氣壓緊，形成一堵肉眼看不見的“墻壁”。物體運動速度越大，這堵“墻”越堅固（密度增大）。

如此說來，人人都得擔心碰上這堵墻了。絕不是！因為空氣墻總是以聲音的速度往前跑的，只要在低于聲音的速度范圍內運動，就不可能追上它，以致碰上它。只是對于一架想要超音速飛行的飛機或其他物體來講，那就勢必要碰上空氣墻，發生前面的那些慘案。人們把空氣的這種作用稱為聲障。科學家還發現，由于飛機周圍的氣流不均勻，因此在飛機速度還未超越聲速時，也可能會撞得粉碎。

那么能不能克服聲障呢？難道人類制造的飛機永遠甘心落后于聲音？不，科學家已經找到一種辦法，把飛機的外形改一下，使機身呈紡錘狀，兩頭尖、中間粗，再把飛機的兩只翅膀盡量朝后掠，飛機就可以順利地穿過空氣墻了。

今天，一些先進的噴氣式飛機的速度已達到了聲速的兩倍，甚至3倍。在這場與聲音賽跑的競賽中，人顯然是優勝者。

“跳躍”的聲音

1921年5月9日，前蘇聯的莫斯科近郊發生了一次大爆炸。據調查，在半徑70公里范圍內，人們清清楚楚地聽到了“轟隆轟隆”的爆炸聲；但是從半徑70公里到半徑160公里的范圍內，人們卻什么也沒有聽到；奇怪的是，從半徑160公里以外一直到半徑300公里的遠方，人們又聽到了爆炸的轟鳴聲。

這真是怪事！聲音怎么會“跳”過中間這片地區呢？物理學家發現，聲音有一種“怪癖”，它在空氣中愛揀溫度低、密度大的道路走。當遇到溫度高、密度小的空氣，聲音便會向上拐彎到溫度較低的空氣中去。如果某一個地區，地面附近的氣溫變化比較復雜，這兒溫度高，那兒溫度低，聲音經過的時候，一會兒拐到高空，一會兒又往下拐，這樣上上下下，就形成了上面所說的那種聲音“跳”動的現象。

安徽省合肥市建好的長途電話大樓，樓頂聳立著一座塔鐘。這塔鐘準時打點，鐘聲悅耳，響遍全市。但是住在遠郊的居民聽到的鐘聲，有時候清晰，有時候模糊，有時正點，有時“遲到”。這是塔鐘的失誤嗎？不是，這也是聲音的“怪癖”──愛走氣溫低、密度大的道路引起的。天長日久，居民們得出一條經驗：平日聽不見或聽不清鐘聲，一旦突然聽得很清楚，就預示著天要下雨了，或正在下雨呢！這是因為，濕空氣比干空氣的密度大，容易傳播聲音的緣故。

“拐彎”的聲音

遠處的鐘聲，為什么夜晚和清晨比白天聽得更清楚？“當、當、當……”我國的首都北京和上海等很多城市里，都裝有巨大的時鐘，每隔一定的時間，準確地向大家報告時刻。如果你離開大鐘的距離比較遠，就會有這樣的感覺：報時的鐘聲，夜晚和清晨聽得很清楚，一到白天，就不太清楚了，有時甚至聽不見，有人說：“這是因為夜晚和清晨的環境安靜，白天聲音嘈雜的緣故。”這樣的解釋，只對了一小部分。并不完全，其主要原因是由于聲音會“拐彎”，聲音是靠空氣來傳播的，可是聲音有個怪脾氣，它在溫度均勻的空氣里，是筆直地跑；一碰到空氣的溫度有高有低時，它就揀溫度低的地方走，于是聲音就拐彎了。白天，太陽把地面曬熱了，接近地面的空氣溫度遠比空中的高，鐘聲發出以后，走不多遠就往上拐到溫度較低的空中去了，因此，在一定距離以外的地面上，聽起來不清楚，再遠，人們就聽不見這個聲音了。夜晚和清晨，剛好相反，接近地面的氣溫比空中來得低，鐘聲傳出以后，就順著溫度較低的地面推進，于是人們在很遠以外也能清晰地聽到鐘聲。如果某個區域接近地面的大氣溫度變化得很厲害，這里高，那里低，那么聲音拐到空中以后又會往下拐，往往造成非常奇怪的現象。1923年荷蘭的一座軍火庫爆炸，在距離僅為100km～160km的地區內沒有聽到，可是在1 300Km的地方卻聽到了，這就是聲音在空氣中多次拐彎造成的現象。