關(guān)于聲音，大多數(shù)人對(duì)于聲音的了解或者僅在物體震動(dòng)發(fā)出聲響這一概念中。

當(dāng)然，這種說(shuō)法是簡(jiǎn)化后的，嚴(yán)格意義來(lái)講，聲音的形式和表現(xiàn)要比我們?nèi)粘Ｉ钪兴私獾揭獜?fù)雜得多。

在物理學(xué)中，聲音可以在空氣、水和固體等介質(zhì)中以縱波的形式產(chǎn)生，在固體中則以橫波的形式出現(xiàn)。

聲源決定了聲波的產(chǎn)生，例如立體聲揚(yáng)聲器中的振動(dòng)膜片。

聲音的縱波

聲源在周?chē)橘|(zhì)中產(chǎn)生振動(dòng)，隨著物體繼續(xù)振動(dòng)介質(zhì)，振動(dòng)以聲速?gòu)穆曉刺巶鞑コ鋈ィ瑥亩纬陕暡?/strong>。

為什么在這兒我們要闡述一遍關(guān)于聲音的基礎(chǔ)物理理論呢？

相信有人注意到文中提及的聲波，這是聲音作為能量的表現(xiàn)形式。

聲波的表現(xiàn)變化會(huì)在距離聲源固定距離處，介質(zhì)的壓力、速度和位移上隨著時(shí)間變化發(fā)生改變。

處于振動(dòng)下的波

另外，介質(zhì)的粒子不隨聲波傳播，這在固體傳播中尤為明顯。而我們常說(shuō)的聲音，則是聲波的直接表現(xiàn)。

介質(zhì)的密度決定了介質(zhì)內(nèi)的聲速，介質(zhì)本身的運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響聲波的效果，最后是介質(zhì)的粘度，粘度會(huì)決定聲音衰減的速率。

說(shuō)回聲波，縱向聲波是交變壓力偏離平衡壓力的波，并導(dǎo)致局部區(qū)域的壓縮和稀疏。

而橫向波，則是變剪切應(yīng)力與傳播方向成直角的結(jié)果。

同時(shí)我們也必須注意聲壓的情況，它是由聲波引起的與環(huán)境大氣壓力的局部壓力偏差。

在空氣中，聲壓可以使用麥克風(fēng)進(jìn)行測(cè)量。

跨音速運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的普朗特-格勞特奇點(diǎn)

聲壓可以體現(xiàn)聲音的強(qiáng)度，在聲波中，聲壓的補(bǔ)充變量為粒子速度，它們共同決定了聲波在聲音中的表現(xiàn)強(qiáng)度。

聲壓等級(jí)的表現(xiàn)則用聲壓級(jí)來(lái)表示，因此我們?nèi)粘Ｉ钪兴v的多少分貝正是描述的聲壓等級(jí)。

但需要注意的是，聲壓級(jí)是聲音對(duì)數(shù)度量有效壓力相對(duì)于參考值而言。

根據(jù)聲壓公式我們可以得知，空氣中常用的參考聲壓為p 0 =20 μPa。

一般這是人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)的最低閾值，大約是蚊子飛出3米的聲音。

不同感知響度級(jí)別的聲壓與頻率

聲壓等級(jí)帶來(lái)的變化

接著，我們進(jìn)一步來(lái)了解關(guān)于聲音的其他問(wèn)題。

通過(guò)前文的介紹，現(xiàn)在我們可以已經(jīng)空氣中的聲音傳播是縱波。

聲音作為能量表現(xiàn)，聲波有著高壓區(qū)和低壓區(qū)，并且會(huì)在其中反復(fù)傳遞。

 

從這張圖中我們可以直觀地了解到聲波的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，較暗的區(qū)域表明這些空氣顆粒比周?chē)目諝飧芗驗(yàn)樗鼈冇兄叩膲毫Α?/p>

另外圖中的3個(gè)紅點(diǎn)標(biāo)記了單個(gè)的空氣粒子，這表明它們本身在波通過(guò)時(shí)不會(huì)移動(dòng)很遠(yuǎn)，而是以來(lái)回?cái)[動(dòng)的方式進(jìn)行。

行波動(dòng)畫(huà)顯示高壓區(qū)域，然后是低壓區(qū)域

然而在自然界中，聲波不會(huì)只向一個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)，而是朝著所有方向傳播。

在地球上，雖然可以產(chǎn)生任意高壓，但是低壓的環(huán)境不能低于真空，這會(huì)限制氣壓振蕩的大小，自然也會(huì)限制可持續(xù)聲音的響度。

原因在于空氣的稀薄壓力不能低于此真空，所以持續(xù)狀態(tài)下最響亮的聲音應(yīng)該在真空和2個(gè)大氣壓之間振蕩的壓力波。

聲音會(huì)朝向四周散開(kāi)

所以綜合以上，由于環(huán)境氣壓的偏差，連續(xù)狀態(tài)下的聲音在101.325千帕的壓力偏差下為194分貝。

換句話(huà)來(lái)講，基于我們所在的大氣壓力下和環(huán)境狀態(tài)中，聲壓的表現(xiàn)不會(huì)大于這個(gè)值，聲波在這個(gè)環(huán)境下不會(huì)有更高的振幅，因此聲音在海平面基準(zhǔn)下的氣壓環(huán)境中不會(huì)超過(guò)194分貝。

當(dāng)然，如果我們將環(huán)境變量和媒介進(jìn)行改變，聲音的最大值也會(huì)發(fā)生改變。

例如在深海中，194分貝甚至不接近最大動(dòng)態(tài)壓力。

這不僅是因?yàn)?strong>水中的聲壓參考變成了1微帕，并且環(huán)境壓力也比大氣環(huán)境高得多。

水與空氣的波幅傳播差異明顯

正如前面所說(shuō)，分貝并不以線(xiàn)性比例增加，而是一個(gè)對(duì)數(shù)刻度。

舉個(gè)例子，100分貝的聲音并不是就比50分貝的聲音大出兩倍。

當(dāng)一個(gè)物體發(fā)出高出10分貝的聲壓時(shí)，音量則會(huì)高出10倍，當(dāng)它高出20分貝的時(shí)候，則它的音量則會(huì)高出100倍，如果高出60分貝，則會(huì)高出1000000倍。

單位為 W/m2聲源和動(dòng)態(tài)指標(biāo)的分貝

所以聲音的表現(xiàn)在今天才會(huì)被作為一門(mén)重要的科學(xué)，并且體現(xiàn)在現(xiàn)代科學(xué)中的方方面面。

有人或許會(huì)問(wèn)，如果大于194分貝會(huì)怎樣？

當(dāng)聲壓的表現(xiàn)超過(guò)194分貝，會(huì)發(fā)生相當(dāng)戲劇性的變化。

不過(guò)這里面我們同樣也不能忽視環(huán)境差異帶來(lái)的影響，例如深海下的抹香鯨的交流聲能夠達(dá)到230分貝。

而槍蝦從蝦鉗中噴發(fā)的沖擊波能夠達(dá)到218分貝，這足以讓它殺死比自己弱小的獵物。

槍蝦的前肢能夠發(fā)射強(qiáng)大的“沖擊波”

一旦聲音超過(guò)194分貝，它的整體表現(xiàn)就會(huì)更加強(qiáng)大，額外的能量會(huì)開(kāi)始扭曲整個(gè)聲波。

任何超過(guò)這個(gè)幅度的聲音都更像沖擊波，并且會(huì)有相當(dāng)大的近真空區(qū)域。

這也是原子彈和破壞力極強(qiáng)的撞擊能夠傳遞出如此強(qiáng)大的能量的原因，過(guò)于強(qiáng)大的聲壓表現(xiàn)改變了能量形式。

超出聲幅的能量

從物理學(xué)和數(shù)學(xué)這方面來(lái)講，聲音能有這個(gè)表現(xiàn)，甚至可以制造出一個(gè)黑洞。

盡管這個(gè)極其微小的黑洞只會(huì)存在極短的時(shí)間，但這也足以說(shuō)明聲音有多么強(qiáng)大。

首先需要說(shuō)明的是，它不可能在空氣中作為連續(xù)的聲音，正如我們前面所說(shuō)，所以這看上去更像是一個(gè)數(shù)學(xué)游戲。

如此夸張的分貝表現(xiàn)也就只有利用數(shù)學(xué)了

這意味著它必須是一種沖擊波，可以壓縮到高于大氣壓的壓力，僅是制造一個(gè)中子大小的微型黑洞的密度的“音量”級(jí)別就需要1100分貝。

正因如此，聲音的表現(xiàn)就不再是之前那么簡(jiǎn)單，幾乎是一種純粹的能量，能夠在極小的空間內(nèi)壓縮介質(zhì)。

如果是在大氣環(huán)境中，則需要將5公斤的空氣壓縮為只有質(zhì)子或中子半徑大小。

然而這在物理學(xué)上則行不通，因?yàn)橐雽?公斤的空氣壓縮至這么小的體積顯然不行。

現(xiàn)實(shí)中由引力波構(gòu)建的黑洞聲像

因?yàn)?strong>黑洞的密度會(huì)隨著質(zhì)量的平方反比下降，例如一個(gè)50公斤的黑洞有百分之一的一個(gè)半徑為5公斤的黑洞密度。

所以，這也不會(huì)有足夠的超壓來(lái)達(dá)到1100分貝。

聲音的表現(xiàn)就是如此強(qiáng)悍，可一旦脫離了環(huán)境本身，聲音也會(huì)顯得無(wú)能為力，因此我們也記住了聲音不能在真空中傳遞。

對(duì)于聲音來(lái)講，盡管日常生活中我們不會(huì)遇見(jiàn)如此夸張的聲壓表現(xiàn)，但我們?nèi)缘米⒁猱?dāng)自身暴露在高分貝環(huán)境下，身體是會(huì)遭受損傷的。

噪音分布量表

人體在125分貝甚至更低的聲音暴露時(shí)就會(huì)感到急性疼痛，并且這種損傷會(huì)直接損害耳朵的構(gòu)造，并且造成不可逆的損傷。

另外，只要環(huán)境夠安靜，我們還能夠聽(tīng)到身體發(fā)出的聲音，例如心跳聲、胃腸道蠕動(dòng)的聲音。

要說(shuō)地球上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的最強(qiáng)音，應(yīng)當(dāng)要數(shù)核爆。

正如我們前面所說(shuō)，聲音一旦超過(guò)194分貝，就會(huì)成為沖擊波這種純粹的能量。

轟炸機(jī)上拍下的爆炸場(chǎng)景

沙皇炸彈的試爆是人類(lèi)有史以來(lái)制造出的最強(qiáng)聲音，基于相關(guān)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)，沙皇炸彈爆炸時(shí)制造出了224分貝的效果。

如果人暴露在這個(gè)環(huán)境下，只需要一瞬間就會(huì)被殺死。

所以高強(qiáng)度的聲音不僅會(huì)給人體帶來(lái)傷害，更是將自己暴露在死亡的風(fēng)險(xiǎn)中。

在世界范圍內(nèi)，人們通常將85分貝規(guī)定為人類(lèi)聽(tīng)力的警戒值，這是能夠給聽(tīng)力帶來(lái)?yè)p傷的極限。

噪音會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)的損傷

如果長(zhǎng)時(shí)間（8小時(shí)）暴露在這種環(huán)境下，便會(huì)導(dǎo)致聽(tīng)力喪失。

盡管如此，世界衛(wèi)生組織建議人類(lèi)活動(dòng)盡量在50分貝以?xún)?nèi)，超過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致睡眠障礙，并影響人的學(xué)習(xí)和思考能力，由此降低生活質(zhì)量。

或許下一次，當(dāng)我們面對(duì)聲音時(shí)便可以更好地去解讀它。