声音有上限吗?如果体积超过上限会怎样?
众所周知,声音是物体振动产生的波,可以通过介质传播,被我们的听觉系统识别。它的频率在20Hz到20000Hz之间(超出这个范围,我们就听不到了)。
一般来说,我们听到的声音是通过空气传播的。如果你问声音在空气中是如何传播的,相信很多人会觉得是下图这样的。
然而,事实并非如此。其实像上图这样通过空气分子上下运动传播的波叫做“横波”,而空气中的声波就是“纵波”。
如上图所示,声音其实是通过空气的密度变化来传播的。在传播过程中,气体分子振动的方向与声波传播的方向一致,类似于弹簧的振动。
总的来说,这种波是通过空气的压缩和松弛来传播的,这是一种压力变化。所以在空气中传播的声波,实际上是以正压力为平衡点上下波动的压力波。我们可以称之为“声压波”,“声压波”之间的间隔称为“波长”,“声压波”在高低压之间振荡。
我们听到的声音有两个基本特征。一个是声音的音高,称为“音高”,一个是声音的大小,称为“音量”。“音高”由声压波的波长决定。波长越短,声音的单调性越高,反之亦然,“音量”也就越大。
可见“声压波”的最大振幅对应的是声音的最大值,在给定的条件下可以计算出来。
对于在地球表面常温空气中传播的“声压波”,常压可以认为是1个标准大气压,所以“声压波”的高压分量和低压分量的平均值是1个标准大气压。例如,如果高压分量是1.001个标准大气压,那么低压分量是0.999个标准大气压。
显然,当高压分量达到2个标准大气压时,低压分量为零,这是最大幅度,因为此时低压分量没有更低的值。也就是说,地球表面室温下空气中的“声压波”的最大振幅是两个标准大气压,也就是202650Pa(帕斯卡)。
在声学领域,“分贝”(db)是描述声压级的计量单位。下图显示了一些常见声音的分贝水平。
分贝的计算公式为:“Gp = 20 x log(10)P/P1”,其中“log(10)”表示“基于10的对数”,“P”表示测得的声压,“P1”。
从上面的介绍可以看出,所谓的“最大声音只有194分贝”是有条件的。其实这个说法应该严格地表述为:“声音在压力为1个标准大气压的常温空气中传播的最大音量为194分贝”。
所以,对于“声音超过194 dB会怎样”这个问题,还应该加上一个前提条件,即“声音在压力为1标准大气压的常温空气中传播”。
在这种条件下,如果声音超过上限,就意味着“声压波”的高压分量超过2个标准大气压,而低压分量为零。这样就不可能形成以1个标准大气压为平衡点上下波动的压力波,声音也就不再是严格意义上的“声音”了。
在这种情况下,高压分量会将空气向外推,然后形成一个继续膨胀的“气泡”。超过194的分贝越多,“泡沫”膨胀的速度就越快,影响就越广。
这个“气泡”的外侧是由超压缩气体构成的边界。当这个边界扫过障碍物时,超压缩气体会把自己的能量倒在障碍物上,从而对其造成一定的伤害。随着这一过程的继续,“气泡”的能量会逐渐减少,直至最终消失。
其实在一些爆炸现场,我们经常可以看到这种现象。一般来说,我们称之为“冲击波”,所以可以说,如果声音超过194分贝,就会在压力为1标准大气压的常温空气中转化为冲击波。