作者：Tim Urban

翻譯：Nuor

審校：Nothing

我們認(rèn)為聲音是我們聽到的某種東西，但在純粹的物理定義中，聲波正是振動(dòng)在物質(zhì)中傳播的形式。當(dāng)我們想起聲波的時(shí)候，腦海中可能會(huì)浮現(xiàn)這樣的畫面：

但這并不是聲波的傳播方式，像這個(gè)樣子的波被稱為橫波，橫波的每個(gè)粒子上下移動(dòng)形成類似于蛇爬行的蜿蜒形狀。?

事實(shí)上，聲波更加像蚯蚓爬行的情形。

?像蚯蚓一樣通過不斷壓縮和舒張而移動(dòng)的波被稱為縱波。兩種形式的波都可以在彈簧中傳播：

?聲音由一些物質(zhì)產(chǎn)生的縱波開始，就像這樣

以上模型就描述了聲音的傳播方式（當(dāng)然，真實(shí)的聲音并不是由振動(dòng)的球體來描述的）。在這個(gè)動(dòng)畫中，聲音由左邊振動(dòng)的灰色棒生成，這個(gè)棒可以是聲帶，吉他的弦，也可以是持續(xù)傾倒到河流中的瀑布。通過觀察紅點(diǎn)，可以看出，雖然波在向一個(gè)方向移動(dòng)，但是每個(gè)獨(dú)立的粒子都在模仿著灰色的棒在來回移動(dòng)。

所以，聲音是一種在正常壓強(qiáng)周圍上下波動(dòng)的壓力波，而不是彎曲的蛇形波。所以當(dāng)你看到聲波的蛇形圖示時(shí)，其只代表著壓力的大小，而不是粒子的真實(shí)路徑。

聲波不僅僅能通過空氣傳播，還能通過液體和固體傳播——在地震中發(fā)生的大部分震動(dòng)都是由于巨大的聲波在地球上的傳播引起的（這種情況下，斷層的運(yùn)動(dòng)就像上述動(dòng)畫中灰色和紅色的條一樣）。

怎么判斷聲速的大小呢？這依賴于在給定的介質(zhì)中壓力波的傳播速度，像空氣一樣流動(dòng)性更強(qiáng)的介質(zhì)是高度可壓縮的，所以波傳播很慢，水可壓縮性差，從而能更少地阻礙波的減速，因此波速更快。就像兩個(gè)人之間伸著一條彈簧一樣，一個(gè)人在彈簧的一端推向另一個(gè)人時(shí)，要過段時(shí)間另一個(gè)人才能覺察到這股力，但是，如果兩個(gè)人拿的是一個(gè)掃帚柄的話，一個(gè)人推動(dòng)的話，另一個(gè)人立馬就能感受到，因?yàn)閽咧惚请y以壓縮的。（在此例中，空氣可以對(duì)比彈簧，水可以對(duì)比掃帚柄）

所以聲音在空氣中的傳播速度大概是其在水中傳播速度大小的四分之一，而在水中的傳播速度只是在在固體中（比如說鐵）傳播速度的四分之一。

回到我們自身的聽力來說。耳朵可以說是一種進(jìn)化的創(chuàng)新，它能夠使我們記錄周圍的聲音并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔ⅰ绻麤]有耳朵，對(duì)人類來說，大多數(shù)聲波是難以覺察到的，只有部分最為響亮的聲音會(huì)反映為我們皮膚上的振動(dòng)。耳朵賦予了我們一種神奇的能力，其能夠以非常細(xì)微的方式感受到微小的聲音，并告訴我們聲音的位置和它的含義，使我們能夠相互交流。人類之間的交流最主要的形式為：我們的大腦通過復(fù)雜的空氣壓模式向另一個(gè)大腦發(fā)送信息。這是多么地不可思議??！

?下次你與朋友交談的時(shí)候，你可以停下來思考一下整個(gè)過程。你的大腦有一個(gè)想法，并將它轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)壓力波的模式，然后你的肺部將這部分空氣從你的身體發(fā)出，同時(shí)，你的聲帶振動(dòng)，嘴巴和舌頭通過正確的移動(dòng)方式配合這部分空氣的移動(dòng)過程。空氣中嵌入了高低壓模塊。攜帶“編碼”的空氣擴(kuò)散到空氣中，其中的一部分會(huì)到達(dá)你朋友的耳朵中，通過他們的鼓膜，然后鼓膜振動(dòng)，傳遞你發(fā)聲的位置和說話的音調(diào)。鼓膜的振動(dòng)通過三個(gè)微小的骨頭傳遞到一個(gè)小的液體囊中，然后將信息變?yōu)殡娒}沖傳送到聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中然后到大腦，在那里信息被解碼。所有的這些過程發(fā)生在八分之一秒內(nèi)，期間，不需要你們兩個(gè)人做任何工作。談話真的是一個(gè)不可思議的奇跡。

無論如何，耳朵可以分辨出聲音的很多特性，但其中兩個(gè)最基本的是特性是：音高和音量。

音高

音高（pitch）與壓力波之間的間隔有關(guān)。

波長(zhǎng)越短，音高越高。人類能夠聽到的頻率為20Hz-20,000Hz。隨著年齡增長(zhǎng)，你將會(huì)失去聽到最高音的能力，所以當(dāng)你聽接近20,000Hz的頻率時(shí)，大多數(shù)人可能會(huì)聽不到任何聲音。但是，你會(huì)更加輕松地聽到這個(gè)范圍的最低部分。你能聽到或者感受到聲音的原因，比如說就像音樂中的低音部分，是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)很長(zhǎng)，其需要1/20s的時(shí)間才能讓整個(gè)波經(jīng)過你的身體（因此為20Hz）。

音量

聲音的音量（loudness）取決于壓力波的振幅。

在圖1中，高低音的音量相同，這是因?yàn)閳D下面的壓力曲線在垂直方向有著相同的大小。較大的聲音在高低壓之間的振蕩更加劇烈——即更大的聲音比安靜的聲音的有著更高的高壓和更低的低壓。

對(duì)于地球表面空氣中的聲音，高低壓的平均值就是我們正常的大氣壓——稱作1個(gè)大氣壓。所以，聲波可能由一個(gè)1.0001的高壓分量和0.9999的低壓分量組成，比之更高的聲音可能是由1.01的高壓和0.99的低壓組成——雖然在這兩種情況下，其平均值都是1個(gè)大氣壓。

我們經(jīng)常使用“分貝”作為單位來測(cè)量音量（以Alexander Graham Bell命名）。分貝的定義比較復(fù)雜，有興趣的筒子們可以參照相應(yīng)的資料，這里不多敘述。我們這里談?wù)勅绾卫梅重悳y(cè)量聲音。

音量極小值非常小。最微弱的聲音比任何人類能夠聽到的聲音都要輕——甚至比我們最好的儀器能夠檢測(cè)的最小值還要小。但是，根據(jù)你所處的位置，聲音也有其最大值。這種情況的原因主要是由于聲音本身不是物質(zhì)——它是通過媒介傳播的壓力波。而且，正如前面提到的，聲波的高壓和低壓的平均值是介質(zhì)的正常壓力。音量受限于其最低壓只能到零壓——即真空。由于低壓不能再低，因此在給定的條件下，聲波的最大振幅取決于其聲音的最大值。

關(guān)于分貝（dB）的便利之處在于，根據(jù)定義，人耳可檢測(cè)到的絕對(duì)最微弱的聲音是0dB——我們稱之為“聽覺閾值”?？茖W(xué)家們一直在致力于研究遠(yuǎn)低于負(fù)分貝的聲音，其在地球上人造的環(huán)境中可以檢測(cè)出-9.4dB的聲音——環(huán)境安靜到可以聽到人體血液流經(jīng)你大腦的聲音——但我們只能聽到正音貝的聲音。地球上可能存在的最大的聲音是194dB——這是當(dāng)聲波的振幅非常劇烈且其低壓部分是完美的真空（波在正常氣壓的兩倍和真空之間交替），從寂靜開始，可以看看整個(gè)聲音的尺度。

（關(guān)于分貝單位要記住的一點(diǎn)是每增加10dB，其音量就增加一倍。所以20dB是10dB音量的兩倍，30dB是10dB音量的四倍，80dB是10dB音量的128倍。）

注：在物理定義上，每增加10dB，聲強(qiáng)增加10倍。但是對(duì)于人體來說，增加10dB相當(dāng)于耳朵聽力感知增加2倍，考慮到與人體的相關(guān)性來說，可以用2倍的關(guān)系來指代。

標(biāo)度在194dB的大小處停止，因?yàn)榈厍蛏喜淮嬖诔^這個(gè)音量的聲音。但是我們可以通過兩種方式來超越這個(gè)值。

沖擊波

當(dāng)能量足夠大時(shí)，其將超越194dB的限制，雖然其最低壓已經(jīng)到達(dá)了絕對(duì)真空的零壓，但其高壓會(huì)讓聲音超過194dB。

在194dB時(shí)，波的峰值在正常壓的兩倍和真空之間交替出現(xiàn)——但是一旦達(dá)到195dB，能量不能在空氣中傳播并將空氣向外推開而在中心區(qū)域形成真空。超過194dB的分貝越多，真空泡到達(dá)的地方越遠(yuǎn)，影響越大。其以快速增長(zhǎng)的半球形式向外擴(kuò)散。

這個(gè)真空泡的邊緣是一個(gè)超壓縮氣體（super-compressed gas）組成的的邊界，當(dāng)這個(gè)邊界掃過陸地時(shí)，其會(huì)掃平途徑的任何東西。

隨著真空泡的擴(kuò)張，其能量逐漸減小直至消失。但是，如果你在此之前遭遇到?jīng)_擊波時(shí)，那絕對(duì)不會(huì)是一段美好的體驗(yàn)。原因有三：第一，撞到超壓縮氣體的邊界就像撞到磚砌成的墻一樣。第二，壓縮氣體很熱。第三，它不僅會(huì)撞擊你全身的部位，還會(huì)穿過你的身體，如果能量足夠大，還會(huì)把你的骨頭變成粉末，把你的器官變成湯。

這里有一些音量超過194dB的典型事件：

土星五號(hào)（Saturn V）發(fā)射：土星五號(hào)的發(fā)射狀況就像一匹野獸一樣，其發(fā)射產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)烈到能夠點(diǎn)燃一英里范圍內(nèi)的草地。甚至在三英里遠(yuǎn)探測(cè)器還能檢測(cè)到135dB的聲波。火箭發(fā)射產(chǎn)生了如此強(qiáng)烈的聲波，因此當(dāng)火箭發(fā)射時(shí)，空間發(fā)射機(jī)構(gòu)往往將發(fā)射臺(tái)放在水中以吸收其產(chǎn)生的聲波從而保護(hù)火箭不被聲壓破壞。?

廣島和長(zhǎng)崎爆炸：根據(jù)資料，其聲波強(qiáng)度超過了200dB。沖擊波大到在30秒中傳播了11km。

1883年喀拉喀托（Krakatoa）火山爆發(fā)：喀拉喀托火山的事情足夠令人震撼，且與大家細(xì)說。

• 喀拉喀托是印度尼西亞的一個(gè)島嶼，在1883年8月27日火山爆發(fā)。

• 火山爆發(fā)徹底摧毀了這座島嶼，以每秒0.4km的速度將巨大碎片送入17英里（27km）高的天空。它也造成了歷史上最致命和最深遠(yuǎn)的海嘯之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，火山爆發(fā)中36,000人遇害。

• 但是關(guān)于火山爆發(fā)的最令人驚奇的是它的聲音，它可以說是現(xiàn)代歷史上地球上最響亮的聲音。

• 聲音非常大，以至于足以使40英里以外的水手的耳膜破裂。

• 100英里之外，聲音仍然可以達(dá)到172分貝，足以永久性地摧毀某些人的耳朵，甚至殺死他們。

• 無論你身在何處，想想一個(gè)距離大約100英里（161公里）的地方，發(fā)生了某些事情導(dǎo)致你所在的地方產(chǎn)生了非常巨大的聲音，這聲音比你用最大的聲音直接向別人耳朵喊的聲音還要大很多。作為對(duì)比，火星五號(hào)發(fā)射時(shí)在100米遠(yuǎn)聲音大小是170dB，而喀拉喀托爆發(fā)時(shí)在100英里外聲音強(qiáng)度比170dB還高。

• 聲音使300英里（483公里）外的一英尺厚的混凝土墻破裂。

• 聲音傳遍了整個(gè)澳大利亞（聽起來像遠(yuǎn)處炮彈發(fā)射的聲音），甚至遠(yuǎn)在3000英里外的羅德里格斯島還能聽到。想象一下，如果在加利福尼亞或歐洲發(fā)生的事情，在紐約可以聽到。

• 聲波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類聽覺范圍后，全世界的氣壓計(jì)在接下來的幾天都會(huì)發(fā)狂，因?yàn)槁暡ㄔ诘厍蛏峡毡P旋了3.5次。

• 最后，你知道有名的畫作The Scream嗎？你知道里面的天空為什么是紅色的嗎？是因?yàn)楫嫾覑鄣氯A·蒙克（Edvard Munch）在喀拉喀托火山噴發(fā)后的一年看到了整個(gè)西半球由其引起的紅色天空，因此受到啟發(fā)。

這真是一場(chǎng)大爆發(fā)。

其他媒介

有比194dB更高的聲音——只是不在地球表面上。可能在海洋、在陸地或者其他行星上。比如說，我們太陽系中某處有著比地球中更加致密的大氣，其允許更高的壓力波振幅，還有更加令人難以置信的強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)暴，那里有很多的機(jī)會(huì)制造更大的聲音。

太空中基本都是安靜的。你可能聽到過這句話：聲音不能在真空中傳播?，F(xiàn)在這個(gè)可以理解了，聲音是物質(zhì)產(chǎn)生的壓力波，如果沒有物質(zhì)的話，就沒有聲音。雖然其可能會(huì)有巨大的熱量、輻射以及力，但是對(duì)于近距離觀察的人類來說，所有的一切都是死寂的。

如果，假設(shè)宇宙中充滿了空氣，所有的物體都會(huì)發(fā)出聲音（忽略超新星聲音的概念——因?yàn)閮H是安靜的太陽都會(huì)產(chǎn)生290dB的聲音）。根據(jù)一個(gè)太陽物理學(xué)家的說法，這意味著在地球上，無論什么時(shí)候，無論在哪里，我們都會(huì)聽到100dB（大概是摩托車音量）的聲音。所以說聲音不在真空中傳播是一件多么幸運(yùn)的事情。

原文來源：https://waitbutwhy.com/2016/03/sound.html

互動(dòng)問題

如果世界沒有聲音會(huì)怎么樣？

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