在生活中,当声音的响度超出极限时,会出现怎样的情况?
前言
声音是由物体振动产生的声波,是通过介质传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。最初发出振动的物体叫声源。而声音存在强弱高低之分。
对于声音的强弱,物理学上用分贝来体现。那什么是分贝?
在声学领域中,分贝是表示声音响度的单位,名称来源于美国发明家贝尔的名字。而声音的响度来源于"声压",即声波中纵波的压强差,其标准单位和大气压一样都是"帕斯卡"。
美国发明家亚历山大·贝尔
比如人耳所能感受的声压范围, 一般为0.00002到0.00002*10^6帕斯卡之间,大约相差了6个数量级, 但这在日常生活中描述声音的响度,过多的数位表述带来很多不便。
所以,在实际应用中,人们通过计算声压级(SPL),来得出分贝的数值。计算公式为SPL=Lp=20Log(10)[p(e)/p(ref)],p(e)为需要表示的声压,单位为帕,p(ref)为空气中参考声压,也叫基准声压,为人耳感知的最小声压,大小为2*10exp-5帕,2乘以10的负五次方。
其定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值取常用对数,再乘以20。
例如,p(e)=2*10exp-2,2乘以10的负二次方。代入公式得出SPL=60=20Log(10)[0.02/0.00002]。60就是人们正常交流的声音分贝值,声压中的有效值则是2*10exp-2,也就是人们正常说话时产生声波的声压为0.02帕斯卡。
生活中10-140dB统计图
根据《空气参考声压》表明,人们所能听到的声音最低值在20分贝左右,正常说话的声音大概在40-60分贝,汽车正常行驶的声音为70-90分贝左右,烟花爆炸的声音大约为140分贝。
这些都是在日常生活中比较容易检测出来的值。 那么,在生活场景中最大的分贝值有多少呢?
图片来源于网络
"声音"的最大分贝
据科学家实验证明, 在地球标准大气压下,空气中的声音最大极限是194分贝,在水中,声音最大极限则是270分贝。
原因就是在 不同媒介中,密度不同,传播速度不同,分子之间的振动频率就不同,分贝上限值也就有所不同。
如声音在空气中传播的速度随温度的提升而提高,为330-386m/s,但水密度远比空气的大,因而在水中声音传播的速度却能有1450m/s
声音在各个媒介中的传播速度
为什么"分贝"值会有上限呢?
因为在空气中,当声音大于194dB时,所产生的波已不能算真正意义的声波了,而是"冲击波"。
声波 是通过物质的媒介,在弹性介质中传播的一种机械波,以纵波的形式体现 。
冲击波 是任何波源,当它的运动速度超过了其波的传播速度时,所形成的一种带有锋面的波。通常以物质为媒介,也可以没有物质, 以场的形式进行传播 。
冲击波
当声音在空气中传播时,若低压区域的空气分子水平低于最小临界点,也可以叫阈值,那声波纵波的振荡最低点也就到头了。原因是低压区域最理想的状态是真空状态。
如果高于最大临界点,就是超出某个阈值时,也就是我们所说的194分贝,以声波的形式存在的基础将不复存在。它将脱离声波层次,产生出另外一种波。
例如1883年喀拉喀托火山爆发,释放出21立方公里的火山灰,远在毛里求斯岛都能够听到这次喷发的剧烈声响,所产生的声音何其之大,但在空气中其分贝值最大也就194dB,再大,则形成冲击波。
因此冲击波并不是声波,产生的区域为真空区,自然不存在声音的传播,这就是空气中声音分贝不超过194dB的真正原因。
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