聲 與 波 動(2 / 2)

第二次世界大戰中,德國潛艇部隊司令鄧尼茨實行“海狼”計劃,派出大批潛艇實施水下攻擊,使美、英等同盟國運輸船隻損失大半。潛艇嶄露頭角,使人們對怎樣探測到這種水下戰艦產生了興趣。幾經周折之後,人們才發現對付潛艇的最好方法,是使用由法國物理學家朗之萬發明的“聲呐”(sonar,英文“聲波導航和測距”的字頭縮寫)。為什麼隻能依靠聲波來探測在水下遊弋的潛艇呢?

在水下能用望遠鏡看見遠處的潛艇嗎?不能,即使用現代的光學儀器,假定海水也較潔淨,在水下最多隻能看到幾十米遠的地方。那麼,在水下能用雷達來探測具有金屬外殼的潛艇嗎?更不行。因為電磁波在海水中的衰減太大。即使是波長為104米的極低頻電磁波,在海水中每傳播3米,其振幅就衰減成原來的十分之一;如果采用高頻(波長為幾十厘米)電磁波,在海水每傳播1米,其強度就衰減為原來的一千萬分之一!然而,海水對聲波的吸收遠比光波和電磁波小。如果用10千赫的超聲波在海水中傳播,每經過1千米,它的強度隻衰減為原來的十分之八。若用005千赫的次聲波,每傳播1千米它的強度隻衰減為原來的百分之九十八。因此,聲波(特別是低頻聲波)因其在水下傳播時衰減很小,可以用作水下傳遞信號的載體。

聲呐按工作原理,可以分為兩大類:(1)主動聲呐。這種聲呐能主動向水中發射各種形式的聲信號,碰到目標後就產生反射回波,接收回波信號再進行分析處理,就能得出目標所在方位和距離。(2)被動聲呐。它本身不發射聲波,隻是被動接收目標所發射的聲波(潛艇航行時,其發動機總有噪聲發出),再進行分析處理,也可以顯示出目標的方位距離。被動聲呐具有保密性好,定向距離遠等優點,但它在測距時較困難。

現在還發展了機載聲呐,它比軍艦的搜索速度快。從直升飛機上向巡邏海區投下一係列主動聲呐浮標,它們在水麵上向水下各處發射聲波,找到目標後會自動用無線電波發送。

深海報警

船舶或飛機在大洋中失事時,如無法用無線電發出求救信號,則可以向深海投擲炸藥包作為呼救信號。2千克炸藥在1千米深的海洋中爆炸時,發出的聲波可傳播到幾千米之外。由幾個海岸監聽站從不同位置收到的報警聲,就能較準確地測定失事地點並組織營救。用同樣的辦法也可以測定洲際導彈或宇宙飛船返回時的濺落位置。

聲波在深海中傳播得遠,是因為存在一個深海聲道。它與海麵、海底都保持一定的距離,聲波在這個通道裏傳播時,很少遭受海麵和海底反射時造成的能量損失。這就像人們利用空管子對著講話,它能把聲音傳得很遠。深海聲道具有這一特性,是由於不同深度的海水的溫度不同,因而聲波傳播的速度也不同。在深海聲道的上方,溫度隨深度下降,使產速也隨深度下降,即越向上聲速越快,聲波受海水折射後向下彎曲傳播;它的下方為深海同溫層,聲速隨深度的增加而增加,即越向下聲速也越快,聲波受折射後上彎曲傳播。結果,不同溫度的海水層像透鏡聚焦一樣,把聲波的能量聚集在聲道內。不僅如此,在深海聲道的某些地方,聲能特別集中就好像透鏡的焦點一樣,這些區域叫“會聚區”。在大洋中,每隔30~50海裏就有一個會聚區。正是這種深海聲道裏的會聚作用和接連不斷的會聚區的存在,才使聲波能在深海中作超遠距離的傳播。

聽不懂自己

我們有這樣的經驗:聽錄音機放出的自己的聲音總覺得不太像,而在別人聽來都認為像,這是怎麼回事呢?

我們平時聽到的聲音,可以通過兩條不同的途徑傳入耳內,一條途徑是通過空氣,將聲波的振動經過外耳、中耳一直傳到內耳,最後被聽覺神經感知。別人聽你的話,你自己(還有別人)聽從錄音機裏放出的自己的錄音,都是通過這樣的空氣途徑傳入耳內的。對別人說來,直接聽你講話,或是聽你的錄音,由於都是從空氣裏傳來的聲音,所以效果一樣,即這兩種聲音是很像的。

另一條途徑是通過骨頭來傳播聲音,這種方式叫“骨導”。我們平時聽自己講話,主要是靠骨導的這種方式。從聲帶發出的振動經過牙齒、牙床。上下頜骨等骨頭,傳入我們的內耳。因此,對我們自己來說,聽自己講話是通過骨導方式聽到的。由於空氣和骨頭是兩種不同的傳聲媒質,它們在傳播同一聲源發出的聲音時,會產生不同的效果,因此,我們聽上去就感到這兩種通過不同途徑傳來聲音的音色有差別。於是就覺得錄音機裏放出來的聲音不像是自己的聲音。