物理爱好者

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奇特的次声波







　　次声波又称亚声波，它是一种频率低于人的可听声波频率范围的声波。次声波的频率范围大致为10－4～20赫。

　　次声波产生的声源是相当广泛的，现在人们已经知道的次声源有：火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动，等等。利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸，等等。

　　由于次声波的频率很低，因而它显示出了种种奇特的性质。其中，最显著的特点是传播的距离远，而且不容易被吸收。

　　我们知道，声音在大气层中的衰减，主要是由分子吸收、热传导和粘滞效应所引起的，相应的吸收系数与声波频率的二次方成正比。由于次声波的频率很低，所以在传播过程中大气对它的吸收系数很小。例如，空气对频率为0．1赫的次声波的吸收系数大约是对频率为1000赫的声波吸收系数的一亿分之一。由于次声波不容易被吸收，所以它的传播距离就很远。1883年8月27日印度尼西亚的喀拉喀托火山爆发时，它所产生的次声波围绕地球转了三圈，传播了十几万千米。当时，人们利用简单的微气压计曾记录到它。次声波不但“跑”的远，而且它的速度大于风暴传播的速度，所以它就成了海洋风暴来临的前奏曲，人们可以利用次声波来预报风暴的来临。

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次声波的应用



谢利民



　　次声波的应用从本世纪50年代开始，并逐渐广泛地被人们所重视。次声波的应用前景大致有这样几个方面：

　　（1）通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。

　　（2）利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。

　　（3）预测自然灾害性事件。许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。

　　（4）次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。

　　（5）通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如，在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰，可以通过测定次声波的特性，进一步揭示电离层扰动的规律。

　　（6）人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他（或它）们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。

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声学与建筑







　　我们日常生活环境中的住宅、教室、礼堂、影剧院等场所，都存在着许多声学问题。正确地处理这些建筑中的声学问题，可以改善人们的生活、工作和学习环境，提高工作与学习的效率，也可以为人们的休息和娱乐提供舒适的场所。可见，声学研究与建筑设计的关系是很密切的，专门研究这方面知识的声学领域叫做建筑声学。

　　对一座建筑物的声学特性的评价标准是多方面的，其中一个重要标准就是交混回响时间。交混回响，就是建筑物内反复反射的声音的总体。人的听觉有个特点，那就是只能区别时间间隔大于1/10秒的两个声音。当原声与反射声先后传播到人耳的间隔小于1/10秒，人耳便不能区分它们，即听不到回声而只听到原声的余音在回荡。声波在反复被反射时，它的能量不断损失，因此余音只能存在一段时间。这段存在的时间就叫做交混回响时间。实际上余音全部消失需要的时间较长，但是杂音减弱到一定程度后，对人的听觉来说意义已经不大。因此规定：当声源停止发声后，声强（由声音本身的能量来衡量的声音的强弱）减弱到原声声强的百万分之一所需要的时间叫做交混回响时间。

　　交混回响能够增强原声的响度，并能增强乐音的感染力。交混回响时间的长短对建筑物的音响效果影响很大。过长的混响时间由于来回反射声波的叠加，会使人感到声音“混浊”不清，音乐声音的节奏不清晰；而过短的混响时间，由于缺乏反射声，听起来会感到响度不够而使人产生“沉寂”的感觉。建筑物用途不同，对混响时间的要求也有差异。对教室、专用报告礼堂一般要求混响时间偏短些较好，通常在0．2～0．6秒之间，这样会使语言听起来清晰。音乐厅等音乐场所的混响时间一般都在1．5秒左右，这样会使声音回荡，余音缭绕。一般的剧场、礼堂多数都具有多种用途，因此，要注意兼顾。我国首都北京的人民大会堂、首都剧场、科学会堂的报告厅的声学结构都比较好，它们的交混回响时间分别是1．8～2秒、1．36秒和1．2秒。

　　交混回响时间的长短受很多因素的影响。其中，建筑物的容积越大，混响时间越长；反射面的面积越大，声能的损失也越大，混响时间就越短；屋内的陈设和人也是声音的反射体，其存在相当增大了反射面，因此也起到缩短混响时间的作用；另外，由于不同的建筑材料对声音的反射性能和吸收性能的差异，因此使用的建筑材料的种类也影响着交混回响的时间。大理石、混凝土、磁砖和玻璃等材料，对声音的反射能力很强而吸收能力很差，用这些材料做成的反射面会使混响时间大大增长；天鹅绒、地毯、毛毡等软材料，对声音的反射能力弱而吸收能力强，尤其对高频率声音的吸收能力更强，用这些材料做成的反射面会缩短混响时间。适当选择反射面的材料，是调整混响时间的重要手段之一。

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超声波







　　频率高于人的听觉上限（约为20000赫）的声波，称为超声波，或称为超声。

　　超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

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超声探伤、测厚、测距、医学诊断和成像

在工业生产中常常运用超声透射法对产品进行无损探测（图2－5）。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收（图2－5甲）。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射（图2－5乙），这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。 　　在医疗诊断中则常采用回声法：将弱超声波透入人体内部，当超声波遇到脏器的界面时，便发生反射和透射。透射入脏器内部的超声波，再遇到界面时还会再次发生反射和透射，超声波接收器专门接收各次的反射波。医务人员根据所收到的各次反射波的时间间隔和波的强弱，就能够了解到脏器的大小、位置及其内部的病变等。

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超声处理

谢利民

超声处理主要是利用它的功率特性和空化作用，改变或者加速改变物质的某些物理、化学、生物特性或状态。利用强超声波进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、医疗、种子处理等，已经广泛地应用工业、农业、医疗卫生等各个部门。在工业上，利用强超声波对钢铁、陶瓷、宝石、金刚石等坚硬物体进行钻孔和切削加工。平时我们用锤子和钢钎可以一下一下地将坚硬的岩石打出洞来，超声加工也是这个道理。如图2－6所示，紧压在工件上的金属杆叫变幅杆，当绕在它上面的线圈中通过交变电流时，它便产生超声振动而不断地敲击工件。变幅杆下端与工件之间放有金刚砂一类的高强度磨料。在杆的冲击下，磨料的颗粒就像被锤子敲击的钢钎一样錾削着工件。虽然变幅杆的伸缩量很小（只有几十微米），每次的加工量很小，但由于超声源的频率很高，每秒钟振动在20000次以上，所以工件被“蚕食”的速度是很快的。变幅杆底端的形状是什么样，加工出的工件形状也是什么样。所以，利用超声可以加工出形状复杂的零件，而且加工的精度和光洁度也都很高。

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立体声



战永杰



　　我们听声音时，可以分辨出声音是由哪个方向传来的，从而大致确定声源的位置。我们所以能分辨声音的方向，是由于我们有两只耳朵的缘故。例如，在我们的右前方有一个声源，那么，由于右耳离声源较近，声音就首先传到右耳，然后才传到左耳，并且右耳听到的声音比左耳听到的声音稍强些。如果声源发出的声音频率很高，传向左耳的声音有一部分会被人头反射回去，因而左耳就不容易听到这个声音。两只耳朵对声音的感觉的这种微小差别，传到大脑神经中，就使我们能够判断声音是来自右前方。这就是通常所说的“双耳效应”。

　　一般的录音是单声道的。例如一个音乐会的录音，从舞台各方面同时传来的不同乐器声音，被一个传声器接收（或被几个传声器接收然后混合在一起），综合成一种音频电流而记录下来。放音时也是由一个扬声器发出声音。我们只能听到各个方向不同乐器的综合声，而不能分辨哪个乐器声音是从哪个方向来的，感觉不到像在音乐厅里面听音乐时的那种立体感（空间感）。

　　如果录音时能够把不同声源的空间位置反映出来，使人们在听录音时，就好像身临其境直接听到各方面的声源发音一样。这种放声系统重放的具有立体感的声音，叫做立体声。

　　在舞台上用两个相距不太远的传声器，分别连到两个放大器上，然后把放大器放大后的变化电流连接到另一个房间的两个与传声器位置对应的扬声器中。这样当一个演员在舞台上由左向右、边走边唱地走过时，在另一个房间里的听众就会感到好像演员就在自己面前由左向右、边走边唱地走过一样。如果用两个录音机同时分别记录从两个传声器送来的音频电流；放音时，再将同时放音的两个扬声器放到与传声器对应的位置上，听到的声音就会有很好的立体感，这就是两声道立体声录音。现在的立体声磁性录音机大多是两个声道的。它的录音磁头和放音磁头都是由上下两组线圈做成的，磁头的磁心叠厚比一般用的磁带录音机磁头磁心叠厚要窄一半多，在磁带上的磁迹也就比普通录音机记录的磁迹窄一半多。这样，一条磁带上就有四条磁迹。在录音时，声音由布置在左右的两个传声器转变成音频电流后，由录音机内的两套放大器分别进行放大，并分别送到录音磁头的两组线圈内，当磁带经过录音磁头时，两声道的录音就同时被记录到磁带的两条磁迹上。在放音的时候，磁带通过放音磁头时，放音磁头的两组线圈分别感应出两条磁迹的变化电流，经过两套放大器分别放大，然后由布置在听众左前和右前的两个扬声器分别重放出两个声道的声音，使听众获得立体感。

　　与单声道相比，立体声有如下优点：（1）具有各声源的方位感和分布感；（2）提高了信息的清晰度和可懂度；（3）提高节目的临场感、层次感和透明度。