激波与驻波——两个奇妙的声学现象探幽 声学驻波

  1一种特殊的多普勒效应——激波   多普勒效应很常见.当观察者与波源发生相对运动时,观察者接收的频率将不同于波源发出的频率,如:高速行驶的火车鸣笛进站时,站台上的人听到的汽笛音调变高,即频率变高,火车鸣笛而去,人们听到的音调变低,即频率变小.
  二者的关系由以下公式决定:
  f′=V±vVuf0,
  其中,f′:观察者接收到的频率,f0:波源振动的频率,而V指声波在空气中
  传播的速度,一般为330m/s,u指波源移动的速度,v指观察者运动的速度.正负符号满足如下法则:观察者靠近波源,分子上取“+”,反之取“-”;波源靠近观察者,分母上取“-”,反之取“+”.
  例如:设空气中声速为330m/s.一列火车以30m/s的速度行驶,火车上汽笛的频率为600Hz.如果观察者以10m/s的速度面向火车驶来的方向奔跑,他听到的汽笛的频率:
  f′=V±vVuf0=330+10330-30×600Hz=680Hz,
  高于波源的频率.
  在常规情况下,声源移动的速度一般小于声音在空气中
  的传播速度,但是,在某些特殊条件下,如超音速飞机或者高速运动的子弹划过天空,此时波源移动速度u大于传播速度V,上述公式将失去意义.在这种情况下,急速运动着的波源的前方不可能有任何波动产生,所有的波前将被挤压而聚集在一个圆锥面上,如图1所示:
  图1表示在T时间内,波源从P1运动到P2,图中的圆是波源运动过程中同一时刻的波面,这些波面的包络面形成了一个圆锥面.
  例如:站在地面上的观测者发现一架飞机向他飞来,但听不到声音,一直到看见飞机的方向和水平成37°角时,才听到轰鸣声,若飞机沿水平直线飞行,当时声速为336m/s,飞机的速度是多少?
  简析如上图所示,假设观察者位于A点,听到声音时,飞机已经到达P2点,AP2与水平线夹角为37°,
  所以ut=vtsin37°,
  飞机速度u=vsin37°=560m/s,
  即1.67马赫.
  在这个圆锥面上,波的能量高度集中,容易造成巨大的破坏,这种波被称为“激波”或“冲击波”.飞机,炮弹以超音速飞行时,会在空气中激起冲击波,冲击波到达的地方,空气压强突然增大,足以损伤耳膜甚至摧毁建筑物,这种现象称为“声爆”.如图2所示,“大黄蜂”战斗机穿越声爆的瞬间.
  类似的现象在水面上也能看到,当赛艇速度超过水面上的水波波速时,也要激起以赛艇为顶端的V型波,俗称“舷波”,如图3所示.
  2弦乐器中特殊的波的干涉现象——驻波
  不同的弦乐器能发出各种不同的美妙音乐,我们着迷于迷人的音乐,但又对那些昂贵的弦乐器充满好奇与敬畏.实际上弦乐器发声的本质是弦上的驻波现象.驻波是入射波与反射波相遇时形成的一种特殊的干涉现象.振动加强的区域形成“波腹”,振动减弱的区域形成“波节”.
  下面探讨决定弦乐器音色的最主要的物理量——频率与哪些因素有关.
  由此可见,相邻的波节与波节,波腹与波腹之间的间距为隱]2,若某弦乐器的弦长为L,正好有n+1个波节,则形成的波长为
   =2Ln,n∈N(1)
  一个脉冲波在细绳中传播,如上图所示,波在弦上传播速度由公式v=F馵SX)]决定,其中F为弦上的张力,裎业南擢┟芏泉 .
  下面给出简要证明:
  图5是弦上的一段驻波.取弦上一段微元,由图6所示,该微元的曲率半径为r,对应的圆心角为蔫,则:
  其中n=1的频率形成基音,n=2,3,4,…的频率形成泛音,基音和泛音就决定了该弦乐器的音色.
  由此可见,弦乐器发出的音色由弦长,弦上的张力以及充作弦的丝线的品种决定,每个参数的不同都会对弦乐器发出的声音产生相当大的影响.小提琴,二胡等弦乐器在使用过一段时间后,就需要调音,有经验的调音师能完美地恢复乐器本来的音色,他们经常会调整弦的松紧或者更换新的弦线.