有趣的波動(dòng)學(xué)

案例一:傳播速度

戰(zhàn)爭(zhēng)年代,偵察兵趴在地上用耳朵聽聲音,判斷敵軍的距離和數(shù)量根暑;又或者趴在鐵軌上聽力试,判斷火車的距離?

為什么排嫌?

聲音在固體中傳播要比氣體中快得多畸裳,同時(shí)在空氣中衰減也會(huì)更大。

同理淳地,在工廠怖糊,我們判斷運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的故障的時(shí)候,經(jīng)常用到聽針或者聽棒颇象,一頭抵在設(shè)備上伍伤,一頭貼著耳朵,可以聽到設(shè)備本體的細(xì)小聲音遣钳。

案例二:多普勒效應(yīng)

在馬路上扰魂,一輛跑車飛速的經(jīng)過(guò)你,然后又離你而去蕴茴。在這個(gè)過(guò)程中劝评,你聽到的聲音先是逐漸增大的刺耳的聲音,然后逐漸減緩直到消失倦淀。

為什么蒋畜?

這就是多普勒效應(yīng),是奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒首先提出的理論晃听。

在聲源向觀察者移動(dòng)時(shí)百侧,由于聲源本身在動(dòng),所以觀察者接受的聲音頻率就在不斷變化能扒,聲源靠近時(shí)頻率增加佣渴,聲源遠(yuǎn)離時(shí)頻率減少,我們就會(huì)聽到不同的聲音初斑。而當(dāng)聲源和觀察者都固定不動(dòng)時(shí)辛润,就會(huì)聽到穩(wěn)定的聲音。

醫(yī)院的彩超也是應(yīng)用的這一原理见秤。具體來(lái)說(shuō)砂竖,當(dāng)聲源與接收體(即探頭和反射體)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),回聲的頻率有所改變鹃答,此種頻率的變化稱之為頻移乎澄,根據(jù)頻移的大小,可以計(jì)算出反射體的位置测摔,體現(xiàn)在彩超圖中置济。

為了檢查心臟解恰、血管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),了解血液流動(dòng)速度浙于,可以通過(guò)發(fā)射超聲來(lái)實(shí)現(xiàn)护盈。由于血管內(nèi)的血液是流動(dòng)的物體,所以超聲波振源與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)羞酗。血管向著超聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)腐宋,反射波的波長(zhǎng)被壓縮,因而頻率增加檀轨。血管離開聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)胸竞,反射波的波長(zhǎng)變長(zhǎng),因而在單位時(shí)向里頻率減少参萄。反射波頻率增加或減少的量撤师,是與血液流運(yùn)速度成正比,從而就可根據(jù)超聲波的頻移量拧揽,測(cè)定血液的流速。

案例三:地震時(shí)動(dòng)物反應(yīng)快腺占?

人的耳朵可以接收到的聲音頻率為20~20000赫茲淤袜,因此我們把頻率>20000赫茲的波稱為超聲波,把頻率<20赫茲的波稱為次聲波衰伯。

1.超聲波

超聲波頻率高铡羡,波長(zhǎng)短,傳播時(shí)方向性好意鲸,而且穿透本領(lǐng)強(qiáng)烦周,使得其用于探傷、定位等技術(shù)領(lǐng)域怎顾,如上述案例的測(cè)血流速度读慎。

(1)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),在不同質(zhì)界面上具有反射的特性槐雾,如遇到缺陷夭委,缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長(zhǎng)時(shí),則超聲波在缺陷上反射回來(lái)募强,探傷儀可將反射波顯示出來(lái)株灸;如缺陷的尺寸甚至小于波長(zhǎng)時(shí),聲波將繞過(guò)缺陷而不能反射擎值;

(2)波聲的指向性好慌烧,頻率越高,指向性越好鸠儿,以很窄的波束向介質(zhì)中輻射屹蚊,易于確定缺陷的位置.

(3)超聲波的傳播能量大,如頻率為1MHZ(1兆赫茲)的超聲波所傳播的能量,相當(dāng)于振幅相同而頻率為1000HZ(赫茲)的聲波的100萬(wàn)倍淑翼。

2.次聲波

在自然現(xiàn)象中, 地震腐巢、火山爆發(fā)、風(fēng)暴玄括、雷暴冯丙、磁暴、海浪沖擊遭京、河水流動(dòng)胃惜、機(jī)械振動(dòng)等都會(huì)發(fā)生次聲波。

次聲在空氣哪雕、水船殉、地面等介質(zhì)中傳播時(shí), 能量衰減緩慢, 因而次聲波傳播距離很遠(yuǎn)。例如, 一枚4 千克的炸彈爆炸時(shí), 幾千米遠(yuǎn)處就聽不見爆炸聲了, 但是由于爆炸引起的次聲波卻能傳播到80 千米以外斯嚎。原子彈爆炸的巨響, 至多傳播不過(guò)幾十千米, 這是由于空氣和水都能吸收聲波的緣故利虫。而原子彈爆炸產(chǎn)生的次聲波, 空氣、水堡僻、地面對(duì)它的吸收能力較差, 所以它可繞地球好幾圈, 行程幾十萬(wàn)千米糠惫。1883 年蘇門答臘和爪哇之間的一次火山爆發(fā)產(chǎn)生的次聲波繞地球三圈, 歷時(shí)108 小時(shí)。

次聲波的穿透能力很強(qiáng), 可以穿透建筑物钉疫、掩蔽所硼讽、坦克和潛水艇等障礙物。而聲波的穿透能力就很差, 頻率為7000 赫茲的聲波, 用一張厚紙就可以隔擋住牲阁。

頻率為7 赫茲的次聲波, 用一堵厚墻也不能隔擋住固阁。次聲波可以穿透幾十米厚的鋼筋混凝土的建筑工事。由此可見, 次聲波有穿墻入縫的本事城菊。

次聲波的頻率與人體的固有頻率相近, 人體各器官的固有頻率為3 ~17 赫茲( 腹部?jī)?nèi)腔的固有頻率為4 ~6 赫茲, 頭部的固有頻率為8 ~12 赫茲) 备燃。當(dāng)某頻率的次聲波進(jìn)入人體時(shí), 人體內(nèi)相應(yīng)的器官就會(huì)發(fā)生共振, 引起人體功能失調(diào)或損壞, 輕者全身不適, 頭暈惡心。如果次聲波的功率很強(qiáng), 人體受其影響后, 便會(huì)嘔吐不止役电、呼吸困難赚爵、肌肉痙攣、神經(jīng)錯(cuò)亂法瑟、失去知覺, 甚至血管破裂冀膝、內(nèi)臟損傷而立即斃命。

次聲波在探測(cè)氣象霎挟、地震及軍事等方面得到廣泛應(yīng)用窝剖。地震時(shí)會(huì)發(fā)出次聲波,能夠被動(dòng)物聽到酥夭,因此會(huì)比人類提前表現(xiàn)出不安的狀態(tài)赐纱。

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