声音在水中的传播

   好奇的研究人员很早就对声音和它在水中的传播方式产生了兴趣。早在1490年,(leonardo) 莱昴纳多· 达·芬奇就观察到:“如果你把你的船在水中停下,并把一条长管子的头儿放在水中,将另一端贴近你的耳朵,你会听到离你很远的船的声音。”1687年,在牛顿的《数学的自然法则》一书中,发表了第一个声音传播的数学理论。研究人员从十七世纪中期开始测量声音在空气中的传播速度,但是直到1826年,瑞典物理学家丹尼尔·克拉顿(Daniel Colladon)和法国数学家查尔斯·斯特姆(Charles Sturm)才精确地测量出声音在水中的速度。用一条长管子听水下(正如达芬奇建议的那样),他们记录了浸入水下的钟发出的声音在日内瓦湖中传播得多快。他们的结果——在摄氏1.8度(华氏35度)的水中每秒1435米(1569码)比现在公认的速度只差3米,这些研究人员表明水无论是淡水还是咸水——是声音传播的极佳媒质,声音在水中比它在空气中的传播速度几乎快五倍!

  但是声音是怎样传播的呢?声音是当一个物体振动产生一系列的压力波并交替对波传播的空气,水或固体分子压缩和降压时产生的一种物理现象。压缩和稀释(我们对降压的称法)的周期,可以用它们的频率来描述。波每秒的周期用赫兹来表示,例如人的声音,产生100到10,000赫兹的频率,而人的耳朵可以听到的频率为20到20,000赫兹,狗和蝙蝠是可以听到更高的频率——高到160,000赫兹的动物代表,而鲸和大象则处于波谱的另一端,它们产生频率在15到35赫兹范围内的声音,大多低于人类的听力,所以称为亚音或亚声。声波和光波一样,也可以用它们的波长来形容——即两个波峰之间的距离;频率越低,波长越长。

  1871年和1878年,英国科学家瑞利(Rayleigh) 爵士三世约翰· 威廉姆·斯特列特(John William Strutt)发表了他的共二卷的处女作《声音理论》,这本书通常被看作标志着现代声学研究的开端。瑞利(Rayleigh)勋爵因成功地分离出了氩元素,而获得了1904年诺贝尔物理学奖。他在声学和光学领域的重要发现对波在流体中传播理论至关重要。在其它方面,瑞利(Rayleigh)勋爵是第一个用数学等式描述声波的人(这是所有声学理论工作的基础),也是第一个描述空气中的小颗粒分散某种波长的阳光的人,这一法则也适用于声波在水中的活动。