当声音接收传感器(水听器)离声音的来源越近时,接收到的声音就越响。如果你想让声音传播的很远,它一开始就需要更加响亮。
如果我们回到将石头扔进池塘的图像,并从侧面看池塘,你会发现波浪离石头落水的地方(波浪的来源)越远,波就越小。波浪变小是因为它扩散产生的扩散损失,并且部分声音能量会被海水吸收。
声音传播
如果我们想到一块石头扔进池塘后产生的波浪扩散开来,离源点越远,波浪形成的圆圈越大。随着圆圈变大,它的总长度(周长)也会变大。
能量扩散损失 是因为波在从源中心扩散时,总能量保持不变(忽略声音吸收),当表面波的圆形区域变大时,能量会扩散以填满它。因此,波的单位长度能量会减少。表面波的高度(振幅)随着波峰单位长度能量的减少而降低。
当你用口香糖吹泡泡时,你可以看到类似于声音波扩散时损失能量的现象。你有没有观察过泡泡变大的过程?它是如何变化的?正如声音波在扩散时总能量保持不变,口香糖的总量在泡泡变大时也不会改变。这意味着当泡泡变大时,泡泡的壁必须越来越薄。口香糖的厚度类似于声音波的幅度。正如泡泡变大时口香糖变薄,声音波在扩散时其幅度也会减小。
当表面波在水体表面,如池塘或海洋表面传播时,振幅会迅速减小。这被称为圆柱形扩散。从声源(例如海洋中央)向各个方向传播的波比在池塘或海洋表面水平传播的表面波更快变小。这被称为球形扩散。
下表比较了声波在声源一米处的相对强度和振幅与其在更远距离的圆柱形和球形扩散的值。
| 距离源 | 相对强度 | 相对振幅 |
|---|
| 圆柱形扩散 | 球形扩散 | 圆柱形扩散 | 球形扩散 |
| 1米 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 10米 | 1/10 | 1/100 | 1/3 | 1/10 |
| 100米 | 1/100 | 1/10,000 | 1/10 | 1/100 |
从海洋中深处发出的声波向各个方向扩散时,其强度和振幅会非常迅速地减小。声音不能永远从海洋中的声源均匀地向各个方向传播。在一定范围之外,声音将撞击海面或海床,扩散将大致呈圆柱形。
吸音
您一定看过一篇广告称,“这条毛巾比普通的毛巾更吸水”。或者想想我们日常用的海绵,你用海绵擦拭桌面的水渍,海绵会吸收了水渍。同样,声音在出传播过程中也会被吸收。
当声音通过某种介质(如水)传播时,它会被吸收——被介质内的分子捕捉到。介质实际上会改变声音波的一部分声能使介质加热。发生这种情况的一种方式是声音的声能使介质的分子开始振动。在声波传来之前,分子是静止的。为了使它们开始振动,声音必须足够强大,以克服分子的阻力。分子必须克服声音传播的粘性,它们通过从声波中“偷取”一些能量来实现这一点。 在海水中,声波的衰减比纯水的衰减要大得多。除了由于粘性引起的吸收外,一些使海洋化学物质也会吸收声波并将其转化为热能。吸收的最终结果是,当声波在介质中传播时,其振幅比单纯的扩散损失衰减得更快。这是由于声能转化为热能而造成的能量损失。
吸收的量取决于声音的频率。高频声音在一秒钟内有许多周期,因此介质中的粒子振动得非常快。就像当你快速摩擦双手时,比慢慢摩擦双手产生的热量更多。由于分子从声波中获得振动的能量,因此对于高频声音,声波会更快失去能量。这意味着,在相同条件下,高频声音不会像低频声音传播得那么远。