在大家的意识中,声音可能是我们听到的一种“东西”。但通过物理学习我们可以知道,声音是一种波,声波正是振动在物质中传播的形式。波长越短,音高越高。而我们所说的声音的音量就取决于压力波的振幅。
波在向一个方向移动,同时每个独立的粒子也都在来回移动,声音是一种在正常压强周围上下波动的压力波,而不是弯曲的蛇形波。(图片来源:英国南安普顿大学噪声与振动研究所)
高低音的音量相同时,较大的声音在高低压之间的振荡更加剧烈,即更大的声音比安静的声音的有着更高的高压和更低的低压。对于地球表面空气中的声音,高低压的平均值就是我们正常的大气压——称作1个大气压。所以,声波可能由一个1.0001的高压分量和0.9999的低压分量组成,比之更高的声音可能是由1.01的高压和0.99的低压组成——虽然在这两种情况下,其平均值都是1个大气压。
我们经常使用“分贝”作为单位来测量音量。它是量度两个相同单位之数量比例的计量单位,不仅仅可以用来做音量单位,还能用于表示功率量之比和场量之比。
音量极小值非常小。最微弱的声音比任何人类能够听到的声音都要轻,甚至比我们最好的仪器能够检测的最小值还要小。但是,根据你所处的位置,声音也有其最大值。这种情况的原因主要是由于声音本身不是物质,它是通过媒介传播的压力波。音量受限于其最低压只能到零压,零压就是我们常提到的真空。由于低压不能再低,因此在给定的条件下,声波的最大振幅取决于其声音的最大值。
根据定义,人耳可检测到的绝对最微弱的声音是0dB,我们称之为“听觉阈值”。科学家们一直在致力于研究远低于负分贝的声音,他们在地球上人造的环境中可以检测出-9.4dB的声音,环境安静到可以听到人体血液流经你大脑的声音,当然,我们只能听到正分贝的声音。
根据实验,地球上可能存在的最大的声音是194dB,这是指正常情况下地球上不存在超过这个音量的声音。但在特定情况下也可能出现超过194dB的声音。当能量足够大时,其将超越194dB的限制,虽然其最低压已经到达了绝对真空的零压,但其高压会让声音超过194dB。在194dB时,波的峰值在正常压的两倍和真空之间交替出现——但是一旦达到195dB,能量不能在空气中传播并将空气向外推开而在中心区域形成真空。广岛和长崎爆炸的声波强度超过了200dB。
在海洋、在陆地或者其他行星上也可能有比194dB更高的声音。比如说,我们太阳系中某处有着比地球中更加致密的大气,其允许更高的压力波振幅,还有更加令人难以置信的强风和强风暴,那里有很多的机会制造更大的声音。
我们曾在中学课本中学到过,声音不能在真空中传播。所以太空中基本都是安静的。因为声音是物质产生的压力波,如果没有物质的话,就没有声音。虽然其可能会有巨大的热量、辐射以及力,但是对于近距离观察的人类来说,所有的一切都是死寂的。
如果,假设宇宙中充满了空气,所有的物体都会发出声音,这意味着在地球上,无论什么时候,无论在哪里,我们都会听到100dB的声音。所以说,声音不在真空中传播是一件非常幸运的事情。
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