梅乐芝经理的科普文章（十）
第10节波 平静的水面，落下一颗石子，就看见一圈一圈的水面起伏，以石子落水处为圆心，慢慢向外蔓延。随着时间流逝，起伏最终消失，水面恢复平静。这种扰动（石子、雨滴等引起的水面起伏）以一定速度向远处传播（蔓延），称这种传播着的扰动为波。 通常将波的概念限制在自然世界中。在社会变化中，也有类似的情况，称呼的概念换成浪潮，趋势等等。比如谣言产生后，开始传播，四处都流传着，范围越来越广。这是虚假信息的传播。从流行歌曲、网络名词到时尚，都符合波动定义。文明的交流，通过商业贸易，也是波。 回到物理世界，石子造成的扰动，是石子势能转换成水的动能。而波在传播中，抵达的水都开始扰动，意味着动能也在传播。随着波越传越远，接收动能的水越来越多。按照能量守恒，那么所有收到动能的水的动能总量不变，那么每部分水的动能越来越小。最后动能全部转为热量，水面恢复平静。换而言之，波传播过程同时也是能量传播过程。 对于物质运动状态变化类型的扰动传播，我们称为机械波。如果是人的思维模式变化类型的传播，可称为心灵风暴波。如果是人有组织行为类型的传播，可称为社会运动波。机械波的出现，意味着：1.扰动源存在，也就是有能量供应源。2.存在接收扰动的对象，称为介质。这两种存在，对其他类型的波也是适用的。对于石子形成的波，扰动源就是石子，介质是水。宗教的传播，扰动源就是教义，介质是人。 观察： 1.艺术体cao运动中，运动员舞动着长带，长带在空中上下卷动，却不落地，正是波的传播，使得带子始终处于状态剧烈变化中，而无法落地。 2.世界各地经常出现地震。报道中会给出震中位置，地震强度级别。震中就是扰动源的位置，级别就是地震能量的强度。地震波在传播中，能量随之而来，改变建筑物品的状态。如果能量太大，建筑等承受不住而损坏。损坏程度称为烈度。随着传播距离的增加，总能量逐渐损耗，加之能量分担对象越来越多，危害逐渐减小。 3.宗教的传播过程中，改变的是人的观点、立场、思考方式等。和机械波不同的是不存在能量的衰减问题。事实上，随着宗教的传播，信徒越来越多，宗教的势力不断增加。 4.在水面不同位置，投放两个或多个石子，发现各自都形成波，相互之间影响可叠加或抵消，但都在传播。不同的宗教或文化，在传播中无法像机械波一样相互叠加或抵消，因为正常人无法同时以相左的立场、观点来思考世界。更多的时候是相互争夺信众，就如同销售市场的争夺一样。当然作为趋利避害的生物本能，采用老张的哲学也是有可能的。 5.人是社会性动物，从众心理是本能的自我保护意识。所以使得谣言、恐慌性心理容易扩散，三人成虎正是这个意思。 波传播中，扰动使得传播路径上的物体状态改变，但这种改变不是永久性的。当能量耗散后，物体恢复原始位置。那么物体状态的变动就是在原始位置附近振动。振动导致物体处于某个范围，当范围和传播路径重合时，说明物体的振动是沿着传播方向进行来回进行的，这种类型称为纵波。如果振动的方向和传播方向垂直，则称为横波。通常的波经常是部分纵波和部分横波的混合。 观察水面上的落叶，当有波传播经过时，落叶在水面上下起伏，并不移动，说明在水面的波是横波。地震来临时，如果感到人左右摇晃，说明地震波是纵波，如果是上下起伏，说明是横波。 波传播途中，能量使得路径中的物体改变状态，物体有惯性，改变状态不可能是瞬间就完成，因此扰动的传播是有速度的。比如水波，我们观察水纹的最高点，称为波峰（对应水纹低于水面的最低点称为波谷）。在波传播中，扰动不断地制作出波峰，新的波峰相比以前的虽然高度慢慢下降，但始终是附近小区域最高的位置。最新的波峰和原始位置之间的距离不断加大，波的传播速度就定义为这个距离除以时间。相邻的两个波峰之间的距离，就定义为波长。一定时间内，水面上落叶起伏的次数，称为频率，单位是以德国人赫兹命名，英文hz表示。落叶每起伏一次，意味着波向前传播了一个波长的距离。那么可得出：速度=波长*频率。 在水面波传播时，如果水面有障碍存在，比如巨大的石块，则波抵达石块后反身往回传播，这个称为波的反射。如果石块较小，发现石块背后也产生波纹，称之为波的衍射，或称为绕射。这里提到石头尺寸的大和小，标准是按照什么定？在描述波的属性中，只有波长是长度的单位。因此大和小的标准就是波长。比波长大很多的就是巨大，比波长小的就是小。 思考： 1.波的传播速度由什么决定呢？扰动在改变传播路径上物体状态时，如果状态改变快，则波传播的快。惯性大小是物体维持原状态能力的量度，因此惯性越大则状态改变越慢。在讨论连续物体时，我们使用单位体积内的物质惯性来衡量，那么这就是密度。因此波传播路径上物质的密度越大，波速越小。不同的物质弹性不同，弹性越大，物体维持完整性的能力越大，则物体受相邻部位的形变影响越大。比如泥土，基本没有弹性，某处受力后泥沙飞溅，其他部分的泥土没有动静。比如铁棒，弹性很强，某处受力后，铁棒整体翻滚。因此弹性系数越大，波速越大。 2.波的频率是由什么决定的？波的起源是扰动源，介质目的是传递扰动，可以对传播速度、能量传递效率起作用。所以影响频率的因素只能是扰动源。扰动源的扰动频率决定了波的频率。 3.不同物质的密度弹性不同，波速不同。在波传播路径上存在不同物质分布，我们可以在不同位置测量波到达的时间，来反向推理不同物质的分布情况。在地质勘查中，通常是人工制造一场 （本章未完，请翻页）地震，使用大量**引爆来产生。在选好的不同位置上来接收地震波。人工地震产生后，波四处传播，一部分波直接抵达测量点，另外一部分向地球内部传播，碰到不同类型的岩石后又重新、四处传播。测量这些从地球内部传播出来的波，依据测量点地震波的抵达时间以及强度，可以推理出内部的岩石成份和构造。石油天然气勘查就是使用这种原理进行。 4.当已知扰动源位置、强度后，在不同位置测量地震波，可以有效推理出地球构造。克罗地亚的莫霍洛维奇于1909年采用地震波探测到地壳和地幔之间的界面。1914年德国的古登堡发现地幔和地核之间的分界面。当地球内部构成比较清晰后，不同位置的测量点测量到地震波抵达，就可以推理出扰动源的位置和扰动强度。冷战时期，原子武器研发竞争很激烈，采用这样的方法，即便不派遣间谍，也可以获知核爆炸的位置和威力。 5.深海中没有光线，视力无效。鲸鱼就通过制造机械波来通信。即便在浅海，光线传播距离很有限，海豚等哺乳类动物采用机械波来通信。在河流中，江豚类也同样如此。现代大量船舶行驶，螺旋桨制造很大的机械波干扰，导致这些动物通信失败或错误。 6.正常情况下，波传播中，物质不改变自身位置。如果能量非常大，则位置甚至物质本身都会发生改变。这时波不仅是扰动传播，而且是破坏性传播。人类利用这点制造了武器。大自然的武器就是大地震，地震波中的纵波作用时，人和房屋左右抖动，房屋通常是上下结构承受力强，而侧向承受力弱。这种情况下房屋很容易倒塌。当地震波抵达时，如果烟囱的高度刚好是地震纵**长的一半，则很容易半腰折断，为什么？ 7.登山时，遇到很宽广的山峰侧壁，可以大吼听回音（雪山严禁，可能引起雪崩。汉尼拔远征，在阿尔卑斯山损失大量步兵和战象）。建筑的墙壁和回廊也有类似效果。在特定的建筑里，可以听到远处人的说话，俗称回音壁（中国古代寺庙大量存在。奥匈帝国女王特雷西亚的宫殿里，存在这样的窃听结构）。足球比赛时，节目录制组也有类似的接收远处声音的装置，很像卫星天线的锅盖。 空气密度很低，分子稀疏，间距很大。但也可以传播机械波。通常我们称空气中的机械波为声波，以我们的机械波接收器耳朵为基准。但固体、液体中的也都可以称为声波。可以通过一些设备，接收液体和固体中的机械波，并转入空气中，让我们的接收器可以工作。 波传播路径中，物体的振动逐渐减弱。减弱有两种方式：1.自然减弱，比如水表面波的传播，随着距离增加，波的起伏变低。因为能量越来越分散。2.损耗，在传播中，很多物质弹性较差，传递扰动的能力很低，能量多数都转换为热量。 多个扰动源产生的波，在传播途中相遇，则每个波都发挥各自的扰动能力。如果扰动刚好同方向，则扰动总和累加，导致此处物体振动大幅度增加。如果扰动刚好反方向，则扰动总和抵消，此处物体振动幅度减小。这种现象称为波的干涉。 思考： 1.二次世界大战中，大西洋中的潜水艇作用巨大。水面舰船探测潜水艇就需要使用声纳。声纳就是大喇叭，在水里面发射声音。声波碰到潜水艇就反射回去，接收装置检测回波，判断是否存在大型移动对象。潜水艇通常是被动接受声音，一般是发动机噪声或螺旋桨噪声，根据声音的特征来判断是否为攻击目标。上世纪八十年代初发生东芝事件，就是潜水艇螺旋桨噪声引发的。 2.石子丢入水中，表面形成波是和在水中传播的声波不同，扰动源发起后，水被排开，由于水不可压缩，所以水被挤的高出水面，形成波峰。对于某个水柱，当水柱升高时，水柱变窄，水柱下降时，水柱变宽。当水表面浪的高度上升时，势能增加，则下降后的动能也增加，对前进方向水的冲击力增加，也就意味着表面波的速度增加。也就是说表面波的速度由水波纹的高度决定。当水的深度远大于波长时，水面升高变成波峰，体积增加，所增加的水是由波谷部分补充过来的。此时水不仅是上下运动，还存在传播方向上的前后运动。此时水面某点的整体运动就在传播方向上做圆周运动。当此点在圆周的顶点时，水面处于波峰状态，当此点在圆周底点时，水面处于波谷状态。此时波速取决于波长或圆周运动的速度，波长越长，圆周运动越慢，波速越快。当水较深时，表面波对深水完全没有影响。在水下拍摄的记录影视中可以看到，海面巨浪滔天，水下波澜不惊。 3.而声音在空气或水中传播时，都是纵波，没有横波。横波仅在固体中存在，固体的结构紧密，横向的振动因材料的连续性得以持续。纵波在流体中传播时，流体的压强在某个值附近变动，相当于这些流体在压缩和膨胀状态之间来回变动。这种状态只能在压缩或膨胀的方向上延续，所以流体中横波无法存在。同样频率的声波，在空气、水、固体中速度不同，因为这些物质压缩弹性不同。同时因流体的特点，压强、温度不同，波速也不同。当中流体中声明波速时，都必须说明对应的压强和温度。海平面0c时，空气音速是331m/s。水中的音速大约是空气中的4.3倍。钢铁中的音速大约是空气中的15倍。 4.现代城市的污染很多，房屋修建和装修时就要考虑噪声污染的消除。1.吸收：噪声源在室内，无法直接消除噪声源时，室内墙壁的涂料就可以选用声波转换热量效率高的材料，起到吸音效果，这样噪声中室内很快就衰减下去。如果是音乐厅，需要回音效果时，部分墙壁的涂料就要必须是声音反射率高，不能吸收声音。2.隔离：噪声源在室外时，采用双层玻璃窗户，声音经过透过双层玻璃的能量很少，隔音效果好。当然一层玻璃效果也很明显，只要窗户的密闭性好。3.降低源强度：直接对噪声源进行处理，降低噪声源（扰动源）的能量强度 （本章未完，请翻页），降低其功率，典型的应用就是摩托车消音排气管、消声武器。发动机的高压热气直接进入大气，在气管的出口，能量瞬间释放，功率很大，造成很大的噪声。摩托车消音管是较原发动机排气管粗的气管，发动机高压热气进入后，空间突然变大，此刻产生的声音约束在消音管内，被消音管内其他结构吸收降低。进入消音管的高压热气此时压力降低，温度降低，离开消音管进入大气时，能量已经比较低，产生的噪声就小多了。手枪可以加装消音、器，消音原理类似，就是让枪膛高压气体相对缓慢的速度膨胀，降低枪声。由于子弹的速度非常快，实际消音、器并不能完全消除声音，除非是非常小口径的子弹。其最大作用是降低开枪者的耳朵负担，在消除枪口火焰方面也非常有效。（按照能量的角度描述，就是体积突然膨胀，导致势能增加，能量守恒，所以动能降低=分子运动速度降低=温度降低。这种方法同时也是制造超低温的方法。让低温气体突然膨胀，导致温度进一步降低，反复进行这一过程。） 5.二次世界大战末期，德国潜水艇有了新的装备，使得这些潜水艇从没有被盟军探测到。这种装备是橡胶板，装配在潜水艇外壳上，板上有按照特定间隔排列的小孔阵列。声音（声纳发射产生）抵达潜水艇表面后，这些阵列使得反射声音相互之间抵消，极大地降低了反射声音，使得探测器无法得到回音，避免被发现。室内装修材料板，也可以采用这种方式降低声音在室内的来回反射，消除噪声。观察电影院的墙壁，是否存在这样布满小孔的板材？ 6.以上介绍的是声音消除的被动方法。声音还可以主动抵消。使用麦克风接收声音，转换为电信号，对其进行处理，再转换为声音，此时的声音和原始声音刚刚好完全错位，振动相互基本抵消。这样就实现主动对消。应用于婴儿看护。在婴儿头部放置一副很大的耳机，离婴儿耳朵有一定距离，里面放出处理后的声音，和外界噪声对消。 7.当多个扰动源存在时，如果扰动源的频率相同，则产生的波频率相同，这些波在干涉时，很可能在某处出现多数波累加的情况，造成某点扰动能量非常大。军队过桥时，如果按照口令有节奏地齐步行走，很容易产生累加效果，当累加点位于桥的薄弱点时，可能会对桥产生破坏。所以过桥时都要便步走，令各个扰动源的频率不同。 8.人耳可以听到各种声音，但无法听到全部声音。（20-20k）hz是人耳可以听到的频率范围。低于20hz的声音，称为次声波。高于20khz的称为超声波。那些使用主动声纳的生物，比如海豚和蝙蝠，其耳朵可以听到100khz的声音。另外人的耳膜和外耳道是垂直的，这也说明声音是纵波。假设是横波的话，无法耳膜产生振动！ 9.超过20khz的声音，对人耳无影响。效果对人而言就是安静。因此广泛使用。眼镜店里面有洗眼镜的机器，将眼镜置于水中，使用超声波清洗。这种高频率的液体震荡，可有效清理表面附着的各种杂物。牙齿清洁，也可使用超声波。体外碎石（胆结石），同样使用超声波。但最普及的则是b超，超声波进入人体，因不同组织的弹性不同，反射回的超声波在不同位置压强不同，反向演算后就可以得到人体弹性分布图，就是人体内部器官分布情况。超声的波长短，机械波衰减是以波长为单位比例进行衰减的，所以衰减快。扩散也是按照波长的比例进行，所以方向性好，容易形成声音束。蝙蝠和海豚，都使用超声波作为雷达探测信号，定位准确。大功率的超声波还是武器，可以击晕猎物。 10.低于20hz的声音，波长很长，衰减很慢，很容易衍射，所以没有什么可以阻挡次声波。次声波的振动对人体内脏有强烈的破坏作用，因此可制造次声波武器，但难以控制方向。 11.人的发音依靠声带。发出的波长和声带的长度相关。人的发音是多种频率声音的混合，其中含量最高的可以称为基音。其他频率的含量比例不同，听起来的效果不同。男子声带长，所以基音波长较长，频率低，女子声带短，基音频率高。我们说某人唱歌音色好，就是声音中不同频率含量的比例适合我们欣赏的口味。说某人音域宽广，就是声带经过控制，可以发出不同基音的声音，而且基音的频率相差较大。唱歌时，声音可以在腹腔、胸腔、口腔、颅腔进行回音，增加声音的延续和音量，改善音色。技巧的好坏，或者是天赋的好坏，就体现在实现回音的难易程度上。唱歌就像说话一样轻松，天赋好。需要提气叉腰，天赋差。现代歌曲伴奏多，去掉这些伴奏，听歌手清唱，就知道唱的真正效果。 12.脊椎动物感受声音的器官和人类似，并且有外耳廓对声音进行收集，增强听觉效果。耳廓的因生存环境的变化而变化，可能变大（蝙蝠）、变小（北极熊）甚至消失（鲸鱼）。昆虫身体的膜也起收集空气振动的效果，用来感知异性、猎物或捕猎者。被动接收声波的动物，都是为了确定振动源。当振动源位于特定环境时，触角、身体的毛发，都可以精确定位振动来源，这些都可认为是耳朵。比如蜘蛛网上的振动源通常就是猎物，蜘蛛使用腿部即可感受。通常人是视觉、听觉、嗅觉共同使用一样，动物的耳朵也仅是探知外界工具的一部分。不同动物的探测侧重点不同。 13.当波源运动时，对固定位置的观察者而言，波的频率发生变化。比如波源频率是10hz，波速100米/秒。1秒内有10波峰经过观察者，当观察者以100米/秒的速度靠近波源时，1秒内就观察到20个波峰！对观察者而言频率增加了一倍。以50米/秒的速度远离波源，则1秒内观察到5个波峰，频率为实际的一半。最早是由奥地利人多普勒发现的，称为多普勒效应。现在高速路上检测超速，就是使用多普勒雷达进行。医疗上使用多普勒效应来判断血液流动的速度，叠加在b超上，就成为彩超。 （本章完） ...