声波的传播

1.1.3　声波的传播

音叉将振动传递给周围的空气微粒，由此产生了声音。音叉的振动转化成周围空气微粒的振动，也是一种简谐振动。这种与简谐振动相关的声音称为纯音。

叉臂向外侧振动时，将其外侧的空气微粒推向更外围，使得外围的空气微粒相互间更紧密，或者说使周边的大气压力增高，这种正向的空气压力称为压缩（compression）。这种压缩是随叉臂向外侧的移动逐渐增加的，并在叉臂振动到最外侧时达到最大。当叉臂向内侧移动时，被压缩的空气微粒也随之改变方向，因为空气是一种弹性介质，被压缩的空气也会产生弹性回复力。虽然空气微粒很小，但它们仍然具有质量，因此当空气微粒向内侧运动时，压缩减小，当通过中心位置时压缩变为零。当它们继续向内侧运动时，它们与原先外侧空气微粒的距离就加大了，此时，外侧的空气变稀薄了，因此叉臂外侧的空气压力低于大气压，这种低于周围大气压力的状态称为疏散（rarefaction）。当空气微粒到达最内侧时，叉臂外侧空气微粒间的疏散化达到最大，气压达到最大负值。此时，回复力又促使空气微粒向外侧运动，音叉也同时改变了方向从而推动向外侧的运动。如图1－2所示，当振动的音叉叉臂向外侧移位时，其外侧微粒被压缩成一个密部，此密部的空气微粒又随之推动相邻的空气微粒发生压缩，由此将密部逐渐向外传递。当音叉的叉臂开始向内侧移动时，外侧密部的空气微粒又回到其初始位置；叉臂继续向内侧移动，空气分子也跟着继续向内侧移动，从而在其初始位置形成一个疏部。此疏部的空气微粒同样也拉动相邻的空气微粒发生疏散，由此将疏部逐渐向外传递。在声源不断振动的作用下，空气分子的密部与疏部交替地向四周扩展的过程就是声波的传播。

注意：每个空气微粒在其平衡位置来回振动，导致相邻的空气微粒也随之来回振动，但它们都只在其平衡位置来回振动。波的传播不是介质分子的直接位移，而是能量以波动形式的扩展。声波的能量随扩展距离的增加而逐渐消耗，最后声音消失。

图1－2　音叉振动传播示意图

（图A表示音叉叉臂振动，带动其周围空气微粒发生振动，从而形成疏密波向外传播；图B说明从t₁到t₉几个不同时间点，空气微粒间如何进行振动的传递，而每个微粒只在其平衡位置作往返运动）