聲音是通過空氣、液體和固體等介質進行傳播的,關於三者的傳播速度,不妨先做個實驗來說明:
一個同學在自來水龍頭上敲一下,另一個同學靠在遠處的自來水龍頭上聽,如果兩個龍頭相隔足夠遠,並且都在空曠的地方,他會聽到“三響”。
一敲三響的道理很簡單:第一個響聲是自來水管子傳送來的,聲波在金屬裏跑得最快;第二個響聲是自來水管裏的水送來的,聲波在水中跑得不算慢;第三個響聲是空氣送來的,它跑得最慢,也最微弱。如果兩位同學相距不太遠,也可能隻聽到兩響,第一響和第二響的時間間隔太短,人的耳朵分辨不出來。
這個實驗證明,聲波在不同介質裏的速度是不同的,聲波在不同介質裏傳播時衰減的情況也是不同的。
人們又經過反複測試,發現水中聲速還受溫度影響。海水裏含有鹽類,含鹽的多少也對聲速有影響。在各種因素中,溫度對聲速影響最大,每升高1℃,水中聲速大約增大4.6米/秒。一般認為海水中的聲速是1500米/秒,約是大氣中聲速的4.5倍。
科學家們還測出了各種液體裏的聲速。在20℃時,純水中的聲速是1482.9米/秒;水銀中的聲速是1451米/秒;甘油中的聲速是1923米/秒;酒精中的聲速是1168米/秒,四氯化碳液體中的聲速是935米/秒。由此可見,聲音在液體中傳播的速度大都比在大氣中傳播快許多,這和液體中的分子比較緊密有關。
固體中的聲速也各不相同,經過反複測定發現,聲波在固體中用縱波和橫波兩種形式傳播,這兩種波的波速也不相同。例如,在不鏽鋼中,縱波速度是5790米/秒,橫波速度是3100米/秒。把不鏽鋼做成棒狀,棒內的縱波速度是5000米/秒。在金屬中,鈹是傳聲的能手,在用鈹做的棒內,聲波的縱波速度達到12890米/秒,是大氣聲速的38倍。聚乙烯塑料傳聲本領較差,聚乙烯棒中的縱波速度隻有920米/秒,不及水中聲速快。軟橡膠富有彈性,聲波在裏邊走不動,速度隻有30~50米/秒,還不及空氣中的聲速呢!
關於聲波是怎樣在固體裏傳播的,我們還可以通過下麵這個小實驗來說明。
找一段線,在線中間拴上一麵小鏡子,線的一端拴在椅子背框上(或者由一位同學拉住),線的另一端穿在一個較大的紙盒子上。拿住紙盒子,把線繃緊,讓陽光照到鏡子上,鏡子的反射光線映到牆上。線繃緊之後,鏡子穩定下來了,它反射出來的光斑也就不再晃動了。敲一下紙盒,紙盒發出了聲響,與此同時你會看到,鏡子反射出的光斑晃動了,它上下左右地搖晃著。
這個實驗說明,聲波在線裏傳播時,出現了比較複雜的情況:拴著鏡子的那一點既有上下振動(與聲的傳播方向垂直),又有前後振動(與聲波的傳播方向一致)。
我們再看一看長紙板傳聲的情況:
找一塊長紙板(或長些的木板),在紙板上放幾塊小紙屑或瓜子皮。敲紙板的一端,另一端聽到了聲音。同時觀察小紙屑或瓜子皮,它們上下前後胡亂地移動著位置。
這個實驗說明,固體表麵傳播聲波時,也出現了複雜的情況。
1885年著名的英國物理學家瑞利在理論上指出:聲波在固體表麵傳播時,會出現一種奇妙的表麵聲波。表麵聲波是在固體表麵(即兩種介質的交界麵)上傳播的聲波,它既不同於橫波也不同於縱波,而是兩者的合成。1900年英國地震學家根據地震儀獲得的記錄,證實地震時地表麵確實存在這種奇異的波,並且把它命名為瑞利波。表麵聲波有許多種,瑞利波隻是表麵聲波的一種模式。