神奇的聲現(xiàn)象

劉慶賀

第二次世界大戰(zhàn)期間，美、蘇科學(xué)家分別發(fā)現(xiàn)，大洋深處有一些水域可以讓聲波傳得很遠(yuǎn)。在這些水域里聲音可以傳播數(shù)千公里而不減弱，科學(xué)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(huì)發(fā)現(xiàn)，聲速先是隨深度增加、溫度降低而變慢，當(dāng)達(dá)到最低值時(shí)，溫度不再改變，這時(shí)聲速就會(huì)隨海水壓力增大而變快。

于是，聲波傳播速度在整個(gè)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(shí)總向聲速慢的界面彎曲，因此聲道軸上下方的聲音都會(huì)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(nèi)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(yuǎn)。這就形成了“深海聲道”。

后來的科學(xué)家還為此做過一次實(shí)驗(yàn)，他們?cè)诎闹弈喜亢Ｖ型断律钏◤?，爆炸產(chǎn)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(jīng)過3小時(shí)43分鐘后，竟然被北美洲百慕大群島的測(cè)聽站收聽到了。計(jì)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(dá)半圈！

通過這個(gè)特殊的聲道，我們?cè)谏虾Ｖv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(gè)多小時(shí)才能收到。

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

聲音與飛機(jī)的較量

早期的飛機(jī)都是用螺旋槳做推進(jìn)器的，這種飛機(jī)可以達(dá)到每小時(shí)700多公里的速度，比汽車要快得多?？墒侨藗冞€不滿足，聲音每秒可以“跑”340米，照這樣計(jì)算一小時(shí)就可以“跑”1 200多公里，飛機(jī)能不能追上聲音呢？為了達(dá)到這一目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種新式的飛機(jī)，這種飛機(jī)不用螺旋槳推進(jìn)，而是靠向后噴射大量高壓氣體產(chǎn)生的反沖力向前飛行，這就是大家熟知的噴氣式飛機(jī)。第一架噴氣式飛機(jī)的速度一下子提高了很多，以后經(jīng)過不斷改進(jìn)，竟可以達(dá)到每小時(shí)975公里?？磥碓谶@場(chǎng)人類同大自然的賽跑比賽中，飛機(jī)要超過聲音了。然而意想不到的事情發(fā)生了。當(dāng)試飛的噴氣式飛機(jī)速度繼續(xù)增大時(shí)，突然發(fā)生了一陣?yán)坐Q般的巨響，一眨眼，正在飛行的飛機(jī)被炸得粉碎，好像撞上了一座大山似的。以后又連續(xù)發(fā)生了幾起類似的爆炸。飛機(jī)設(shè)計(jì)師、工程師和物理學(xué)家對(duì)這件怪事作了深入的調(diào)查研究，終于找到了兇手——空氣，是空氣墻把飛機(jī)撞碎了。

原來一切物體，包括飛機(jī)在內(nèi)，在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)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(yùn)動(dòng)速度越大，這堵“墻”越堅(jiān)固（密度增大）。

如此說來，人人都得擔(dān)心碰上這堵墻了。絕不是！因?yàn)榭諝鈮偸且月曇舻乃俣韧芭艿模灰诘陀诼曇舻乃俣确秶鷥?nèi)運(yùn)動(dòng)，就不可能追上它，以致碰上它。只是對(duì)于一架想要超音速飛行的飛機(jī)或其他物體來講，那就勢(shì)必要碰上空氣墻，發(fā)生前面的那些慘案。人們把空氣的這種作用稱為聲障?？茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)，由于飛機(jī)周圍的氣流不均勻，因此在飛機(jī)速度還未超越聲速時(shí)，也可能會(huì)撞得粉碎。

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

今天，一些先進(jìn)的噴氣式飛機(jī)的速度已達(dá)到了聲速的兩倍，甚至3倍。在這場(chǎng)與聲音賽跑的競(jìng)賽中，人顯然是優(yōu)勝者。

“跳躍”的聲音

1921年5月9日，前蘇聯(lián)的莫斯科近郊發(fā)生了一次大爆炸。據(jù)調(diào)查，在半徑70公里范圍內(nèi)，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(nèi)，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(yuǎn)方，人們又聽到了爆炸的轟鳴聲。

這真是怪事！聲音怎么會(huì)“跳”過中間這片地區(qū)呢？物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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(dāng)遇到溫度高、密度小的空氣，聲音便會(huì)向上拐彎到溫度較低的空氣中去。如果某一個(gè)地區(qū)，地面附近的氣溫變化比較復(fù)雜，這兒溫度高，那兒溫度低，聲音經(jīng)過的時(shí)候，一會(huì)兒拐到高空，一會(huì)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(dòng)的現(xiàn)象。

安徽省合肥市建好的長(zhǎng)途電話大樓，樓頂聳立著一座塔鐘。這塔鐘準(zhǔn)時(shí)打點(diǎn)，鐘聲悅耳，響遍全市。但是住在遠(yuǎn)郊的居民聽到的鐘聲，有時(shí)候清晰，有時(shí)候模糊，有時(shí)正點(diǎn)，有時(shí)“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(zhǎng)日久，居民們得出一條經(jīng)驗(yàn)：平日聽不見或聽不清鐘聲，一旦突然聽得很清楚，就預(yù)示著天要下雨了，或正在下雨呢！這是因?yàn)?，濕空氣比干空氣的密度大，容易傳播聲音的緣故?/p>

“拐彎”的聲音

遠(yuǎn)處的鐘聲，為什么夜晚和清晨比白天聽得更清楚？“當(dāng)、當(dāng)、當(dāng)……”我國(guó)的首都北京和上海等很多城市里，都裝有巨大的時(shí)鐘，每隔一定的時(shí)間，準(zhǔn)確地向大家報(bào)告時(shí)刻。如果你離開大鐘的距離比較遠(yuǎn)，就會(huì)有這樣的感覺：報(bào)時(shí)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(shí)甚至聽不見，有人說：“這是因?yàn)橐雇砗颓宄康沫h(huán)境安靜，白天聲音嘈雜的緣故。”這樣的解釋，只對(duì)了一小部分。并不完全，其主要原因是由于聲音會(huì)“拐彎”，聲音是靠空氣來傳播的，可是聲音有個(gè)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(shí)，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(yuǎn)比空中的高，鐘聲發(fā)出以后，走不多遠(yuǎn)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(yuǎn)，人們就聽不見這個(gè)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(jìn)，于是人們?cè)诤苓h(yuǎn)以外也能清晰地聽到鐘聲。如果某個(gè)區(qū)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(huì)往下拐，往往造成非常奇怪的現(xiàn)象。1923年荷蘭的一座軍火庫爆炸，在距離僅為100km～160km的地區(qū)內(nèi)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(xiàn)象。