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為什么人類(lèi)能聽(tīng)到的聲音有極限?

桂粵科普
桂林理工大學(xué)教師,5年科普中國(guó)優(yōu)秀信息員、廣東科學(xué)傳播達(dá)人。
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空氣中聲音不能超過(guò)194分貝,水中的聲音不超過(guò)270分貝,為什么人類(lèi)能聽(tīng)到的聲音有極限?超過(guò)194分貝的就不是聲音了,它非??膳?!

在日常生活中,我們能聽(tīng)到各種各樣的聲音,我們通常用聲音大小,好聽(tīng)和難聽(tīng)來(lái)區(qū)別它們。這其中聲音的大小就叫音量,代表聲音的響度和強(qiáng)度,單位是分貝。

比如我們能聽(tīng)到的最小聲音為20分貝左右;正常說(shuō)話的聲音大概在40-60分貝;汽車(chē)正常行駛的聲音為70-90分貝左右;煙花爆炸的聲音大約為140分貝。

那么為什么不同物體能夠發(fā)出不同的音量呢?拿我們平說(shuō)話來(lái)舉例子,我們的聲帶可以控制嗓門(mén)的大小,所以說(shuō)聲帶的音量并不是固定的。之所以能夠提高嗓門(mén),是因?yàn)槲覀冇昧刂浦晭?,讓它發(fā)出更加劇烈的振動(dòng),而聲帶的振動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生聲波,聲波在空氣中傳播,會(huì)讓空氣分子同時(shí)振動(dòng),空氣振動(dòng)越快聲音也就越大。

當(dāng)聲音達(dá)到最大194分貝的時(shí)候,一邊的空氣分子幾乎全部被擠壓到了一起,而另一邊接近真空。你可以把這個(gè)聲音傳播的范圍想象成一個(gè)密閉的教室,空氣分子就像教室里的桌椅,你說(shuō)話達(dá)到最大分貝的時(shí)候,一邊的桌椅都被聲波推到另一邊去了。

由于整個(gè)空間里桌椅數(shù)量不變,教室的體積也不變,所以兩邊的空氣密度的平均值還是一個(gè)大氣壓。只不過(guò)空氣的密部氣壓接近2個(gè)大氣壓,而疏部空空如也,接近于真空狀態(tài)。所以在桌椅堆積的地方,聲音讓它們?cè)趬ι蟻y撞,或者互相之間撞擊非常劇烈,發(fā)出的聲音就非常大。

在水中的情況就不一樣了,因?yàn)樗拿芏缺瓤諝獯螅?jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在同樣大小的教室里面,擺放的桌椅數(shù)量更多,發(fā)出聲音以后,聲波在水中的振動(dòng)幅度更大。所以聲音在水中的傳播速度更快,且最大音量更大。

聲音在空氣中傳播的速度為330-386m/s,而在水中傳播的速度卻能有1450m/s。在地球標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,空氣中的聲音最大極限是194分貝;在水中,聲音最大極限則是270分貝。

那么,為什么聲音不能超過(guò)這個(gè)極限值呢?這是因?yàn)樵诘厍蛏?,空氣的疏部達(dá)到真空就已經(jīng)是極限了,空間里的分子數(shù)量不可能減小到負(fù)數(shù),所以在介質(zhì)中聲音振動(dòng)的頻率一定是有上限的。
但是,我們可以不斷提高物體振動(dòng)的頻率,制造出超強(qiáng)的聲波,它會(huì)擠壓走空間里的所有分子,所以不再產(chǎn)生聲音,而是產(chǎn)生沖擊波。沖擊波在內(nèi)部制造出了一個(gè)真空區(qū)域,并且不斷向外擴(kuò)張,所以如果人在沖擊波內(nèi)是聽(tīng)不到聲音的,而且我們脆弱的耳膜還會(huì)被破壞,整個(gè)人會(huì)被沖擊波甩出去,或者被瞬間壓碎后再甩出去。

由此可見(jiàn),沖擊波實(shí)際上已經(jīng)不再是聲音了,它更像是一種能量。太空幾乎接近真空環(huán)境,就是宇宙大爆炸產(chǎn)生的沖擊波制造出來(lái)的,所以當(dāng)太空環(huán)境穩(wěn)定下來(lái)以后,我們聽(tīng)不到聲音。

即使太空中有一些微量氣體和塵埃,但是密度依然太低,導(dǎo)致我們?cè)谔照f(shuō)話的時(shí)候,聲波振動(dòng)只能帶動(dòng)幾個(gè)原子轟擊耳膜,就像一根頭發(fā)落在地上對(duì)大地產(chǎn)生的振動(dòng)一樣微弱,使得音量遠(yuǎn)低于20分貝,人類(lèi)的耳膜并沒(méi)有這么敏感,所以聽(tīng)不到這種聲音。
也正因此,雖然太陽(yáng)風(fēng)的振動(dòng)很強(qiáng)烈,但是在太空中也發(fā)不出多少聲音。當(dāng)然如果你在宇宙中,飛船突然在你耳邊爆炸,你大概會(huì)聽(tīng)到爆炸聲,因?yàn)轱w船內(nèi)的氣體和碎片會(huì)散布在你周?chē)?,為聲音的傳播提供介質(zhì)。但是隨著沖擊波將它們迅速?zèng)_散,這個(gè)聲音也僅僅只能持續(xù)幾秒。

所以在太空中,宇航員們通常要用無(wú)線電波通訊,因?yàn)闊o(wú)線電可以在真空中傳播,只需要帶上一個(gè)耳機(jī),將無(wú)線電波轉(zhuǎn)化成我們聽(tīng)得懂的語(yǔ)言就可以了。我們?cè)谟钪嬷刑铰?tīng)外星人發(fā)出的聲音也是通過(guò)電波的形式。