第10節波

平靜的水面，落下一顆石子，就看見一圈一圈的水面起伏，以石子落水處爲圓心，慢慢向外蔓延。随着時間流逝，起伏最終消失，水面恢複平靜。這種擾動（石子、雨滴等引起的水面起伏）以一定速度向遠處傳播（蔓延），稱這種傳播着的擾動爲波。

通常将波的概念限制在自然世界中。在社會變化中，也有類似的情況，稱呼的概念換成浪潮，趨勢等等。比如謠言産生後，開始傳播，四處都流傳着，範圍越來越廣。這是虛假信息的傳播。從流行歌曲、網絡名詞到時尚，都符合波動定義。文明的交流，通過商業貿易，也是波。

回到物理世界，石子造成的擾動，是石子勢能轉換成水的動能。而波在傳播中，抵達的水都開始擾動，意味着動能也在傳播。随着波越傳越遠，接收動能的水越來越多。按照能量守恒，那麽所有收到動能的水的動能總量不變，那麽每部分水的動能越來越小。最後動能全部轉爲熱量，水面恢複平靜。換而言之，波傳播過程同時也是能量傳播過程。

對于物質運動狀态變化類型的擾動傳播，我們稱爲機械波。如果是人的思維模式變化類型的傳播，可稱爲心靈風暴波。如果是人有組織行爲類型的傳播，可稱爲社會運動波。機械波的出現，意味着：1擾動源存在，也就是有能量供應源。2存在接收擾動的對象，稱爲介質。這兩種存在，對其他類型的波也是适用的。對于石子形成的波，擾動源就是石子，介質是水。宗教的傳播，擾動源就是教義，介質是人。

觀察：

1藝術體操運動中，運動員舞動着長帶，長帶在空中上下卷動，卻不落地，正是波的傳播，使得帶子始終處于狀态劇烈變化中，而無法落地。

2世界各地經常出現地震。報道中會給出震中位置，地震強度級别。震中就是擾動源的位置，級别就是地震能量的強度。地震波在傳播中，能量随之而來，改變建築物品的狀态。如果能量太大，建築等承受不住而損壞。損壞程度稱爲烈度。随着傳播距離的增加，總能量逐漸損耗，加之能量分擔對象越來越多，危害逐漸減小。

3宗教的傳播過程中，改變的是人的觀點、立場、思考方式等。和機械波不同的是不存在能量的衰減問題。事實上，随着宗教的傳播，信徒越來越多，宗教的勢力不斷增加。

4在水面不同位置，投放兩個或多個石子，發現各自都形成波，相互之間影響可疊加或抵消，但都在傳播。不同的宗教或文化，在傳播中無法像機械波一樣相互疊加或抵消，因爲正常人無法同時以相左的立場、觀點來思考世界。更多的時候是相互争奪信衆，就如同銷售市場的争奪一樣。當然作爲趨利避害的生物本能，采用老張的哲學也是有可能的。

5人是社會性動物，從衆心理是本能的自我保護意識。所以使得謠言、恐慌性心理容易擴散，三人成虎正是這個意思。

波傳播中，擾動使得傳播路徑上的物體狀态改變，但這種改變不是永久性的。當能量耗散後，物體恢複原始位置。那麽物體狀态的變動就是在原始位置附近振動。振動導緻物體處于某個範圍，當範圍和傳播路徑重合時，說明物體的振動是沿着傳播方向進行來回進行的，這種類型稱爲縱波。如果振動的方向和傳播方向垂直，則稱爲橫波。通常的波經常是部分縱波和部分橫波的混合。

觀察水面上的落葉，當有波傳播經過時，落葉在水面上下起伏，并不移動，說明在水面的波是橫波。地震來臨時，如果感到人左右搖晃，說明地震波是縱波，如果是上下起伏，說明是橫波。

波傳播途中，能量使得路徑中的物體改變狀态，物體有慣性，改變狀态不可能是瞬間就完成，因此擾動的傳播是有速度的。比如水波，我們觀察水紋的最高點，稱爲波峰（對應水紋低于水面的最低點稱爲波谷）。在波傳播中，擾動不斷地制作出波峰，新的波峰相比以前的雖然高度慢慢下降，但始終是附近小區域最高的位置。最新的波峰和原始位置之間的距離不斷加大，波的傳播速度就定義爲這個距離除以時間。相鄰的兩個波峰之間的距離，就定義爲波長。一定時間内，水面上落葉起伏的次數，稱爲頻率，單位是以德國人赫茲命名，英文hz表示。落葉每起伏一次，意味着波向前傳播了一個波長的距離。那麽可得出：速度=波長*頻率。

在水面波傳播時，如果水面有障礙存在，比如巨大的石塊，則波抵達石塊後反身往回傳播，這個稱爲波的反射。如果石塊較小，發現石塊背後也産生波紋，稱之爲波的衍射，或稱爲繞射。這裏提到石頭尺寸的大和小，标準是按照什麽定？在描述波的屬性中，隻有波長是長度的單位。因此大和小的标準就是波長。比波長大很多的就是巨大，比波長小的就是小。

思考：

1波的傳播速度由什麽決定呢？擾動在改變傳播路徑上物體狀态時，如果狀态改變快，則波傳播的快。慣性大小是物體維持原狀态能力的量度，因此慣性越大則狀态改變越慢。在讨論連續物體時，我們使用單位體積内的物質慣性來衡量，那麽這就是密度。因此波傳播路徑上物質的密度越大，波速越小。不同的物質彈性不同，彈性越大，物體維持完整性的能力越大，則物體受相鄰部位的形變影響越大。比如泥土，基本沒有彈性，某處受力後泥沙飛濺，其他部分的泥土沒有動靜。比如鐵棒，彈性很強，某處受力後，鐵棒整體翻滾。因此彈性系數越大，波速越大。

2波的頻率是由什麽決定的？波的起源是擾動源，介質目的是傳遞擾動，可以對傳播速度、能量傳遞效率起作用。所以影響頻率的因素隻能是擾動源。擾動源的擾動頻率決定了波的頻率。

3不同物質的密度彈性不同，波速不同。在波傳播路徑上存在不同物質分布，我們可以在不同位置測量波到達的時間，來反向推理不同物質的分布情況。在地質勘查中，通常是人工制造一場

（本章未完，請翻頁）地震，使用大量**引爆來産生。在選好的不同位置上來接收地震波。人工地震産生後，波四處傳播，一部分波直接抵達測量點，另外一部分向地球内部傳播，碰到不同類型的岩石後又重新、四處傳播。測量這些從地球内部傳播出來的波，依據測量點地震波的抵達時間以及強度，可以推理出内部的岩石成份和構造。石油天然氣勘查就是使用這種原理進行。

4當已知擾動源位置、強度後，在不同位置測量地震波，可以有效推理出地球構造。克羅地亞的莫霍洛維奇于1909年采用地震波探測到地殼和地幔之間的界面。1914年德國的古登堡發現地幔和地核之間的分界面。當地球内部構成比較清晰後，不同位置的測量點測量到地震波抵達，就可以推理出擾動源的位置和擾動強度。冷戰時期，原子武器研發競争很激烈，采用這樣的方法，即便不派遣間諜，也可以獲知核爆炸的位置和威力。

5深海中沒有光線，視力無效。鲸魚就通過制造機械波來通信。即便在淺海，光線傳播距離很有限，海豚等哺乳類動物采用機械波來通信。在河流中，江豚類也同樣如此。現代大量船舶行駛，螺旋槳制造很大的機械波幹擾，導緻這些動物通信失敗或錯誤。

6正常情況下，波傳播中，物質不改變自身位置。如果能量非常大，則位置甚至物質本身都會發生改變。這時波不僅是擾動傳播，而且是破壞性傳播。人類利用這點制造了武器。大自然的武器就是大地震，地震波中的縱波作用時，人和房屋左右抖動，房屋通常是上下結構承受力強，而側向承受力弱。這種情況下房屋很容易倒塌。當地震波抵達時，如果煙囪的高度剛好是地震縱**長的一半，則很容易半腰折斷，爲什麽？

7登山時，遇到很寬廣的山峰側壁，可以大吼聽回音（雪山嚴禁，可能引起雪崩。漢尼拔遠征，在阿爾卑斯山損失大量步兵和戰象）。建築的牆壁和回廊也有類似效果。在特定的建築裏，可以聽到遠處人的說話，俗稱回音壁（中國古代寺廟大量存在。奧匈帝國女王特雷西亞的宮殿裏，存在這樣的竊聽結構）。足球比賽時，節目錄制組也有類似的接收遠處聲音的裝置，很像衛星天線的鍋蓋。

空氣密度很低，分子稀疏，間距很大。但也可以傳播機械波。通常我們稱空氣中的機械波爲聲波，以我們的機械波接收器耳朵爲基準。但固體、液體中的也都可以稱爲聲波。可以通過一些設備，接收液體和固體中的機械波，并轉入空氣中，讓我們的接收器可以工作。

波傳播路徑中，物體的振動逐漸減弱。減弱有兩種方式：1自然減弱，比如水表面波的傳播，随着距離增加，波的起伏變低。因爲能量越來越分散。2損耗，在傳播中，很多物質彈性較差，傳遞擾動的能力很低，能量多數都轉換爲熱量。

多個擾動源産生的波，在傳播途中相遇，則每個波都發揮各自的擾動能力。如果擾動剛好同方向，則擾動總和累加，導緻此處物體振動大幅度增加。如果擾動剛好反方向，則擾動總和抵消，此處物體振動幅度減小。這種現象稱爲波的幹涉。

思考：

1二次世界大戰中，大西洋中的潛水艇作用巨大。水面艦船探測潛水艇就需要使用聲納。聲納就是大喇叭，在水裏面發射聲音。聲波碰到潛水艇就反射回去，接收裝置檢測回波，判斷是否存在大型移動對象。潛水艇通常是被動接受聲音，一般是發動機噪聲或螺旋槳噪聲，根據聲音的特征來判斷是否爲攻擊目标。上世紀八十年代初發生東芝事件，就是潛水艇螺旋槳噪聲引發的。

2石子丢入水中，表面形成波是和在水中傳播的聲波不同，擾動源發起後，水被排開，由于水不可壓縮，所以水被擠的高出水面，形成波峰。對于某個水柱，當水柱升高時，水柱變窄，水柱下降時，水柱變寬。當水表面浪的高度上升時，勢能增加，則下降後的動能也增加，對前進方向水的沖擊力增加，也就意味着表面波的速度增加。也就是說表面波的速度由水波紋的高度決定。當水的深度遠大于波長時，水面升高變成波峰，體積增加，所增加的水是由波谷部分補充過來的。此時水不僅是上下運動，還存在傳播方向上的前後運動。此時水面某點的整體運動就在傳播方向上做圓周運動。當此點在圓周的頂點時，水面處于波峰狀态，當此點在圓周底點時，水面處于波谷狀态。此時波速取決于波長或圓周運動的速度，波長越長，圓周運動越慢，波速越快。當水較深時，表面波對深水完全沒有影響。在水下拍攝的記錄影視中可以看到，海面巨浪滔天，水下波瀾不驚。

3而聲音在空氣或水中傳播時，都是縱波，沒有橫波。橫波僅在固體中存在，固體的結構緊密，橫向的振動因材料的連續性得以持續。縱波在流體中傳播時，流體的壓強在某個值附近變動，相當于這些流體在壓縮和膨脹狀态之間來回變動。這種狀态隻能在壓縮或膨脹的方向上延續，所以流體中橫波無法存在。同樣頻率的聲波，在空氣、水、固體中速度不同，因爲這些物質壓縮彈性不同。同時因流體的特點，壓強、溫度不同，波速也不同。當中流體中聲明波速時，都必須說明對應的壓強和溫度。海平面0c時，空氣音速是331m/s。水中的音速大約是空氣中的43倍。鋼鐵中的音速大約是空氣中的15倍。

4現代城市的污染很多，房屋修建和裝修時就要考慮噪聲污染的消除。1吸收：噪聲源在室内，無法直接消除噪聲源時，室内牆壁的塗料就可以選用聲波轉換熱量效率高的材料，起到吸音效果，這樣噪聲中室内很快就衰減下去。如果是音樂廳，需要回音效果時，部分牆壁的塗料就要必須是聲音反射率高，不能吸收聲音。2隔離：噪聲源在室外時，采用雙層玻璃窗戶，聲音經過透過雙層玻璃的能量很少，隔音效果好。當然一層玻璃效果也很明顯，隻要窗戶的密閉性好。3降低源強度：直接對噪聲源進行處理，降低噪聲源（擾動源）的能量強度

（本章未完，請翻頁），降低其功率，典型的應用就是摩托車消音排氣管、消聲武器。發動機的高壓熱氣直接進入大氣，在氣管的出口，能量瞬間釋放，功率很大，造成很大的噪聲。摩托車消音管是較原發動機排氣管粗的氣管，發動機高壓熱氣進入後，空間突然變大，此刻産生的聲音約束在消音管内，被消音管内其他結構吸收降低。進入消音管的高壓熱氣此時壓力降低，溫度降低，離開消音管進入大氣時，能量已經比較低，産生的噪聲就小多了。手槍可以加裝消音、器，消音原理類似，就是讓槍膛高壓氣體相對緩慢的速度膨脹，降低槍聲。由于子彈的速度非常快，實際消音、器并不能完全消除聲音，除非是非常小口徑的子彈。其最大作用是降低開槍者的耳朵負擔，在消除槍口火焰方面也非常有效。（按照能量的角度描述，就是體積突然膨脹，導緻勢能增加，能量守恒，所以動能降低=分子運動速度降低=溫度降低。這種方法同時也是制造超低溫的方法。讓低溫氣體突然膨脹，導緻溫度進一步降低，反複進行這一過程。）

5二次世界大戰末期，德國潛水艇有了新的裝備，使得這些潛水艇從沒有被盟軍探測到。這種裝備是橡膠闆，裝配在潛水艇外殼上，闆上有按照特定間隔排列的小孔陣列。聲音（聲納發射産生）抵達潛水艇表面後，這些陣列使得反射聲音相互之間抵消，極大地降低了反射聲音，使得探測器無法得到回音，避免被發現。室内裝修材料闆，也可以采用這種方式降低聲音在室内的來回反射，消除噪聲。觀察電影院的牆壁，是否存在這樣布滿小孔的闆材？

6以上介紹的是聲音消除的被動方法。聲音還可以主動抵消。使用麥克風接收聲音，轉換爲電信号，對其進行處理，再轉換爲聲音，此時的聲音和原始聲音剛剛好完全錯位，振動相互基本抵消。這樣就實現主動對消。應用于嬰兒看護。在嬰兒頭部放置一副很大的耳機，離嬰兒耳朵有一定距離，裏面放出處理後的聲音，和外界噪聲對消。

7當多個擾動源存在時，如果擾動源的頻率相同，則産生的波頻率相同，這些波在幹涉時，很可能在某處出現多數波累加的情況，造成某點擾動能量非常大。軍隊過橋時，如果按照口令有節奏地齊步行走，很容易産生累加效果，當累加點位于橋的薄弱點時，可能會對橋産生破壞。所以過橋時都要便步走，令各個擾動源的頻率不同。

8人耳可以聽到各種聲音，但無法聽到全部聲音。（20-20k）hz是人耳可以聽到的頻率範圍。低于20hz的聲音，稱爲次聲波。高于20khz的稱爲超聲波。那些使用主動聲納的生物，比如海豚和蝙蝠，其耳朵可以聽到100khz的聲音。另外人的耳膜和外耳道是垂直的，這也說明聲音是縱波。假設是橫波的話，無法耳膜産生振動！

9超過20khz的聲音，對人耳無影響。效果對人而言就是安靜。因此廣泛使用。眼鏡店裏面有洗眼鏡的機器，将眼鏡置于水中，使用超聲波清洗。這種高頻率的液體震蕩，可有效清理表面附着的各種雜物。牙齒清潔，也可使用超聲波。體外碎石（膽結石），同樣使用超聲波。但最普及的則是b超，超聲波進入人體，因不同組織的彈性不同，反射回的超聲波在不同位置壓強不同，反向演算後就可以得到人體彈性分布圖，就是人體内部器官分布情況。超聲的波長短，機械波衰減是以波長爲單位比例進行衰減的，所以衰減快。擴散也是按照波長的比例進行，所以方向性好，容易形成聲音束。蝙蝠和海豚，都使用超聲波作爲雷達探測信号，定位準确。大功率的超聲波還是武器，可以擊暈獵物。

10低于20hz的聲音，波長很長，衰減很慢，很容易衍射，所以沒有什麽可以阻擋次聲波。次聲波的振動對人體内髒有強烈的破壞作用，因此可制造次聲波武器，但難以控制方向。

11人的發音依靠聲帶。發出的波長和聲帶的長度相關。人的發音是多種頻率聲音的混合，其中含量最高的可以稱爲基音。其他頻率的含量比例不同，聽起來的效果不同。男子聲帶長，所以基音波長較長，頻率低，女子聲帶短，基音頻率高。我們說某人唱歌音色好，就是聲音中不同頻率含量的比例适合我們欣賞的口味。說某人音域寬廣，就是聲帶經過控制，可以發出不同基音的聲音，而且基音的頻率相差較大。唱歌時，聲音可以在腹腔、胸腔、口腔、顱腔進行回音，增加聲音的延續和音量，改善音色。技巧的好壞，或者是天賦的好壞，就體現在實現回音的難易程度上。唱歌就像說話一樣輕松，天賦好。需要提氣叉腰，天賦差。現代歌曲伴奏多，去掉這些伴奏，聽歌手清唱，就知道唱的真正效果。

12脊椎動物感受聲音的器官和人類似，并且有外耳廓對聲音進行收集，增強聽覺效果。耳廓的因生存環境的變化而變化，可能變大（蝙蝠）、變小（北極熊）甚至消失（鲸魚）。昆蟲身體的膜也起收集空氣振動的效果，用來感知異性、獵物或捕獵者。被動接收聲波的動物，都是爲了确定振動源。當振動源位于特定環境時，觸角、身體的毛發，都可以精确定位振動來源，這些都可認爲是耳朵。比如蜘蛛網上的振動源通常就是獵物，蜘蛛使用腿部即可感受。通常人是視覺、聽覺、嗅覺共同使用一樣，動物的耳朵也僅是探知外界工具的一部分。不同動物的探測側重點不同。

13當波源運動時，對固定位置的觀察者而言，波的頻率發生變化。比如波源頻率是10hz，波速100米/秒。1秒内有10波峰經過觀察者，當觀察者以100米/秒的速度靠近波源時，1秒内就觀察到20個波峰！對觀察者而言頻率增加了一倍。以50米/秒的速度遠離波源，則1秒内觀察到5個波峰，頻率爲實際的一半。最早是由奧地利人多普勒發現的，稱爲多普勒效應。現在高速路上檢測超速，就是使用多普勒雷達進行。醫療上使用多普勒效應來判斷血液流動的速度，疊加在b超上，就成爲彩超。

（本章完）

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