在具有質量和彈性的介質中,任何機械擾動都能形成聲音,不論這種聲音我們是否聽得見。為了弄消楚為什麼聲音的傳播需要具有質量和彈性的介質,讓我們看看下麵的類比。
請設想列車編組站直線軌道上停靠著一長列緊挨著但沒有掛鉤的火車車廂。機車駛近第一節車廂,推動車廂,然後退回去。因為車廂具有質量,而機車又賦予車廂速度,車廂就獲得了某一衝量。第一節車廂走了若幹厘米撞上第二節車廂,把衝量傳給第二節車廂。第二節車廂接著撞上第三節車廂,第三節車廂接著撞上第四節車廂,依次撞下去。這樣,撞擊波就沿著列車傳播出去。
我們在這個例子中假定通過每一次碰撞,衝量從一節車廂全部傳給另一節車廂。因此,每節車廂在經碰撞傳出衝量後應當停下來,或者至多再向前稍微移動一點。我們采用這個模型同聲音的傳播沒有任何關係。由於車廂順次推撞,整個列車移動的距離不大,這就是說,這裏進行的是質量能傳遞,而聲音卻是能流。
現在,讓我們把列車所沒有的彈性引入我們的係統。我們用橡膠繩把每節車廂綁在路基上。這時,在推撞引起的依次位移之後,車廂在橡膠繩張力(張力大小同位移成正比)作用下重新回到原來的位置。每一節車廂在固定點左右做振動。這種運動通常稱作簡諧振動。在這種情況下,機車賦予第一節車廂的最初衝量沿整列車傳播,引起每一節車廂的振動。如果我們能保持第一節車廂連續振動,那就能獲得沿著列車傳播的一係列碰撞波。如果列車相當長,那麼,波動圖像就會是穩定的。
這種振動係統的某些特性可以做定量的估計。首先是每一節車廂離開原來位置的最大位移量,這個量稱為振幅。如果仔細觀察每節車廂在同一時間內離開原來位置沿列車方向的位移量的分布情況,就會獲得一幅波動的曲線。車廂沿衝量方向的位移畫在水平線上麵,向相反方向的位移畫在水平線下麵,這種曲線是通常的正弦曲線。
如果取相鄰車廂之間的相對距離代替每節車廂的位移,也可以獲得類似的曲線。這種曲線上的峰相當於車廂互相碰撞,而穀則相當於車廂相互間分開的最大距離。每一係列沿列車傳播的碰撞,在曲線上表現為一個沿水平軸運動的正弦曲線波峰。前後兩個碰撞波間的距離也就是相鄰正弦曲線波峰之間的距離。這個距離通常稱為震動波長。
每一個碰撞波以一定速度沿著列車傳播,速度的大小取決於車廂的質量和使車廂保持在原來位置的橡膠繩的彈性。隻要知道波長和波的傳播速度,就可以說出,在單位時間內有多少波經過已知點。這種波的數目表征振動的頻率。
現在,讓我們從這個粗略的模型轉向研究聲音在空氣中的傳播。空氣(氣體的混合物)由大量的獨立分子構成,這些分子以較大的速度雜亂地運動,不斷地相互碰撞,如果空氣中有穀底微粒,它們與這些微粒碰撞。我們不論選哪一個單獨的分子進行觀察,都無從發現能夠使分子回到出發位置的力。但是,如果我們觀察任意選擇的一個分子群,那麼,我們就會確信,這個分子群竭力要處在某種統計平均位置。正如橡膠繩的彈力作用於每一節車廂(可以把車廂看成是由大量雜亂運動的分子所組成的)一樣,同位移大小成正比的恢複力也作用於從初始位置移動的任何一個分子群。
這個例子可以加以變換,可以用充滿空氣的某種管子代替列車,用插入管子末端作用其振動的膜片(類似揚聲器的紙盒)代替推動車廂的機車。在這個模型中,代替沿列車傳播的碰撞波的是空氣的疏密波,同車廂之間最大距離相當於穀,現在同空氣稀疏區相符合。物質中這種壓縮和稀疏的傳播就是聲音。