神奇的声现象

刘庆贺

第二次世界大战期间，美、苏科学家分别发现，大洋深处有一些水域可以让声波传得很远。在这些水域里声音可以传播数千公里而不减弱，科学家把这些水域称作深海声道。

海水里声速基本上由温度和海水压力控制：温度越低，声速愈慢；海水压力越大，声速愈快。大洋中海水温度是由太阳照射造成的，因此温度随深度增加而降低，但是海水压力却在增加。所以由海面向下观察就会发现，声速先是随深度增加、温度降低而变慢，当达到最低值时，温度不再改变，这时声速就会随海水压力增大而变快。

于是，声波传播速度在整个大洋变成上下两层，两层交界处就形成了特殊的声道轴，由于声波在传播时总向声速慢的界面弯曲，因此声道轴上下方的声音都会折回声道轴；于是乎，声能被限制在声道轴上下一定深度范围内传播不接触海面与海底，这就像在声道轴上下各放一块反射声特别好的挡声墙，声音总是在两块挡声墙之间反射，能量不受损失，可以传播很远。这就形成了“深海声道”。

后来的科学家还为此做过一次实验，他们在澳洲南部海中投下深水炸弹，爆炸产生的声波顺着深海声道绕过了好望角，又折向赤道，横穿大西洋，经过3小时43分钟后，竟然被北美洲百慕大群岛的测听站收听到了。计算起来，这颗炸弹爆炸后的声波一共“走”了1.92万公里，在海洋中绕地球达半圈！

通过这个特殊的声道，我们在上海讲话，大洋彼岸的旧金山都可以听到，只不过一方说过话之后，另一方要3个多小时才能收到。

如果船舶或飞机在大洋中失事，若无法用无线电发出求救信号，则可以向深海投掷炸药包作为呼救信号。2千克炸药在1千米深的海洋中爆炸时，发出的声波可传播到几千米之外。由几个海岸监听站从不同位置收到的报警声，就能较准确地测定失事地点并组织营救。用同样的办法也可以测定洲际导弹或宇宙飞船返回时的溅落位置。

声音与飞机的较量

早期的飞机都是用螺旋桨做推进器的，这种飞机可以达到每小时700多公里的速度，比汽车要快得多。可是人们还不满足，声音每秒可以“跑”340米，照这样计算一小时就可以“跑”1 200多公里，飞机能不能追上声音呢？为了达到这一目的，人们设计了一种新式的飞机，这种飞机不用螺旋桨推进，而是靠向后喷射大量高压气体产生的反冲力向前飞行，这就是大家熟知的喷气式飞机。第一架喷气式飞机的速度一下子提高了很多，以后经过不断改进，竟可以达到每小时975公里。看来在这场人类同大自然的赛跑比赛中，飞机要超过声音了。然而意想不到的事情发生了。当试飞的喷气式飞机速度继续增大时，突然发生了一阵雷鸣般的巨响，一眨眼，正在飞行的飞机被炸得粉碎，好像撞上了一座大山似的。以后又连续发生了几起类似的爆炸。飞机设计师、工程师和物理学家对这件怪事作了深入的调查研究，终于找到了凶手——空气，是空气墙把飞机撞碎了。

原来一切物体，包括飞机在内，在空气中运动时，都会给前面的空气以一定的压力，使物体前面的空气压紧，形成一堵肉眼看不见的“墙壁”。物体运动速度越大，这堵“墙”越坚固（密度增大）。

如此说来，人人都得担心碰上这堵墙了。绝不是！因为空气墙总是以声音的速度往前跑的，只要在低于声音的速度范围内运动，就不可能追上它，以致碰上它。只是对于一架想要超音速飞行的飞机或其他物体来讲，那就势必要碰上空气墙，发生前面的那些惨案。人们把空气的这种作用称为声障。科学家还发现，由于飞机周围的气流不均匀，因此在飞机速度还未超越声速时，也可能会撞得粉碎。

那么能不能克服声障呢？难道人类制造的飞机永远甘心落后于声音？不，科学家已经找到一种办法，把飞机的外形改一下，使机身呈纺锤状，两头尖、中间粗，再把飞机的两只翅膀尽量朝后掠，飞机就可以顺利地穿过空气墙了。

今天，一些先进的喷气式飞机的速度已达到了声速的两倍，甚至3倍。在这场与声音赛跑的竞赛中，人显然是优胜者。

“跳跃”的声音

1921年5月9日，前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。

安徽省合肥市建好的长途电话大楼，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，居民们得出一条经验：平日听不见或听不清钟声，一旦突然听得很清楚，就预示着天要下雨了，或正在下雨呢！这是因为，湿空气比干空气的密度大，容易传播声音的缘故。

“拐弯”的声音

远处的钟声，为什么夜晚和清晨比白天听得更清楚？“当、当、当……”我国的首都北京和上海等很多城市里，都装有巨大的时钟，每隔一定的时间，准确地向大家报告时刻。如果你离开大钟的距离比较远，就会有这样的感觉：报时的钟声，夜晚和清晨听得很清楚，一到白天，就不太清楚了，有时甚至听不见，有人说：“这是因为夜晚和清晨的环境安静，白天声音嘈杂的缘故。”这样的解释，只对了一小部分。并不完全，其主要原因是由于声音会“拐弯”，声音是靠空气来传播的，可是声音有个怪脾气，它在温度均匀的空气里，是笔直地跑；一碰到空气的温度有高有低时，它就拣温度低的地方走，于是声音就拐弯了。白天，太阳把地面晒热了，接近地面的空气温度远比空中的高，钟声发出以后，走不多远就往上拐到温度较低的空中去了，因此，在一定距离以外的地面上，听起来不清楚，再远，人们就听不见这个声音了。夜晚和清晨，刚好相反，接近地面的气温比空中来得低，钟声传出以后，就顺着温度较低的地面推进，于是人们在很远以外也能清晰地听到钟声。如果某个区域接近地面的大气温度变化得很厉害，这里高，那里低，那么声音拐到空中以后又会往下拐，往往造成非常奇怪的现象。1923年荷兰的一座军火库爆炸，在距离仅为100km～160km的地区内没有听到，可是在1 300Km的地方却听到了，这就是声音在空气中多次拐弯造成的现象。