声音的产生与传播一、北京天坛三大声学奇迹在首都北京市区的东南部，坐落着一个驰名中外的天坛公园．那里本来是明清两代帝王祭天和祈祷丰年的祭坛，最初建设于明代永乐十八年(1420年)．天坛是我国最壮观、最有特色的古建筑之一．不过，从声学上看，我们最感兴趣的是回音壁、三音石和圈丘．天坛第一声学奇迹是回音壁．回音壁是一个圆环形的围墙，高约3．72m，直径61-5m．在回音壁内的圆形场地上，偏北有一座圆形的建筑物口旷皇穹宇”，它与回音壁内壁间的最短距离是2.5m；同时东西对称地盖着两座房屋．人们一进回音壁，往往第一件事便是与同伴贴着围墙作远距离的耳语．人们讲悄悄话，一般在6m以外就听不见．而在回音壁边上讲，传播却要远得多．即使你和同伴分别在直线距离为45m的甲、乙两处轻声对话，彼此还听得清清楚楚，就像同伴在跟前与你说话一般．这个声学奇迹是怎样形成的呢?原来语音的波长只有10～300cm，比回音壁半径要小得多，因此在这种场合下可以认为声波是直线前进的．语音在甲、乙两处之间传播，一部分以束状沿围墙连续反射前进，全程有129m；一部分沿直线直接通过空气传播，全程才45m．因为墙面相当坚硬光洁，对声音的吸收小，是声音的优良反射体；而且在回音壁的具体条件下，声波沿墙面连续反射都是全反射，没有穿人墙体内部发生折射的部分，所以声音在传播中衰减很小．两个人在甲、乙两处发出轻声细语，通过墙面传播的声波，尽管走了129m，对方还能听清楚，就像打电话一样．而直接经过空气传播的声波却衰减很快，只走6m就消失了，根本传不到45m外的对方耳朵里．这就是神秘的回音壁的声学原理．天坛的第二声学奇迹是三音石．它在从皇穹字通往围墙门口的一条白石铺成的路上，从皇穹宇台阶沿这条路数到第三块石头便是．游人们一到这里就鼓掌．鼓掌一下，可以听到五六次回声．因为三音石正好在回音壁内圆心上．鼓掌声沿着四面八方的直径在墙间来回反射．因为围墙为圆形，每次声波从围墙反射回来在圆心会聚，便是一次回声．只是由于声波在来回反射的过程中逐渐衰减，因此回声一次比一次微弱．五、六次后，回声就微弱到听不出来．\n天坛的第三声学奇迹是圜丘．圜字是圆字的古体，丘字原意是小山、土堆子．不过，圜丘不是圆形土堆子，而是青石砌成的高台，这里是真正的祭天的祭坛．因为古人流行着“天圆地方”的不正确说法，所以圈丘砌成圆的，它外面的围墙筑成方的．圜丘是三层的石台，每层都有台阶可以拾级而登．每层台的周围都有石栏杆．最高层离地5m多，半径15m．人们登上台顶，站在圜丘的圆心石上，往往又是喊话，又是拍手，这时听到的声音特别洪亮．这又是什么缘故呢?原来台顶不是真正水平的，而是从中央往四周坡下去．人们站在台中央喊话，声波从栏杆上反射到台面，再从台面反射回耳边来；或者反过来，声波从台面反射到栏杆上，再从栏杆反射回耳边来．又因为圜丘的半径较短，所以回声比原声延迟时间短，以致相混．据测验，从发音到声波再回到圆心的时间，只有零点零七秒．说话者无法分辨它的原音与回音，所以站在圆心石上听起来，声音格外响亮．但是站在圆心以外说话，或者站在圆心以外听起来，就没有这种感觉了．天坛的声学奇迹是我国古代建筑匠师的卓越创造．二、不同物质中的声速一个同学在自来水质中的声速管上敲一下，另一个同学靠在远处的自来水管上昕，如果两个位置相隔足够远，他会听到三响。一敲三响的道理很简单：第一个响声是自来水管子传送来的，声波在金属里传播得最快；第二个响声是自来水管里的水送来的，声波在水中传播得较快；第三个响声是空气送来的，它传播得最远．第一次测定声波在水中的速度，是1827年在瑞士的日内瓦湖进行的：用两只船，在甲船上，实验员先向水里放下一口钟，敲钟的同时，点燃船上的火药．乙船停在14千米远处，实验员向水下放一个听音器，然后注意观察甲船，看见闪光后马上记时间，测出几秒钟后才能听到钟声．实验的结果是，声波在水中的速度大约是空气中声速的四倍多(1450米/秒)．声速也受温度影响．海水里含有盐类等多种矿物质，含盐等矿物质的多少也对声速有影响．在各种因素中，温度对声速影响最大，温度每升高1℃，水中声速大约增大4．6米/秒．一般认为海水中的声速是1500米/秒，约是大气中声速的4．5倍．科学家们还测出了各种液体里的声速．在20℃时，纯水中的声速是1482．9米/秒；酒精中的声速是1168米/秒；水银中的声速是l451米/秒；甘油中的声速是1923米/秒．由此可见，声音在液体中传播大都比在大气中传播快许多，这和液体中的分子紧密程度有关．固体中的声速也各不相同，经过反复测定发现，声波在固体中用纵波和横波两种形式传播，这两种波的波速也不相同．例如，在不锈钢中，纵波速度是5790米/秒，横波速度是3\n100米/秒．把不锈钢做成棒状，棒内的纵波速度是5000米/秒．在金属中，铍是传声的能手，在用铍做的棒内，声波的纵波速度达到12890米/秒，是大气声速的38倍．聚乙烯塑料传声本领较差，聚乙烯棒中的纵波速度只有920米/秒，不及水中声速快．软橡胶富有弹性，声波传播极慢，只有30～50米/秒．“跳跃”的声音声音不但会“爬行”，而且还会“跳跃”呢！1921年5月9日，苏联的莫斯科近郊发生了一次大爆炸。据调查，在半径70公里范围内，人们清清楚楚地听到了“轰隆轰隆”的爆炸声；但是从半径70公里到半径160公里的范围内，人们却什么也没有听到；奇怪的是，从半径160公里以外一直到半径300公里的远方，人们又听到了爆炸的轰鸣声。这真是怪事！声音怎么会“跳”过中间这片地区呢？物理学家发现，声音有一种“怪癖”，它在空气中爱拣温度低、密度大的道路走。当遇到温度高、密度小的空气，声音便会向上拐弯到温度较低的空气中去。如果某一个地区，地面附近的气温变化比较复杂，这儿温度高，那儿温度低，声音经过的时候，一会儿拐到高空，一会儿又往下拐，这样上上下下，就形成了上面所说的那种声音“跳”动的现象。安徽省合肥市新建的长途电话大楼，楼顶耸立着一座塔钟。这塔钟准时打点，钟声悦耳，响遍全市。但是住在远郊的居民听到的钟声，有时候清晰，有时候模糊，有时正点，有时“迟到”。这是塔钟的失误吗？不是，这也是声音的“怪癖”──爱走气温低、密度大的道路引起的。天长日久，社员们得出一条经验：平日听不见或听不清钟声，一旦突然听得很清楚，就预兆着天要下雨了，或正在下雨呢！这是因为这时空气湿度大，湿空气比干空气的密度大，容易传播声音的缘故。传说有这样一个有趣的故事：从前有一位住在古寺附近的老人，他虽然不识字，却有识别天气变化的本领。后来老人快要死了，乡邻们要求他把“预测风雨”的秘诀留下，以便今后安排农事。老人同意了，但是他只说了一句话：“远寺钟声清，不用问天公”。说完便咽气了。当时人们都不明白这句话的意思。随着科学的发展，人们逐渐懂得了其中的秘密。原来，这位老人已懂得钟声清晰程度跟天气变化的关系了。
