什么是声音的色散?

知识点:不同频率的声音在介质中传播的速度不一样。这个现象,声学家们沿用光学中的术语,也将之称为色散,或者叫作频散。

大家知道,不同颜色的光线在玻璃中跑的速度是不一样的,这种现象在光学上就称为色散。色散就是三棱镜能够把白光分成七色光的原因。那么声音呢?如果在空气中,高音和低音传播的速度不一样,那么我们就听不清别人讲的话,音乐听起来也就不像现在的听到的音乐这样了。幸好声音在空气中传播的时候不存在这种现象,然而声音在一些气体或者液体里传播时,就存在类似的色散现象,在某些固体里传播的时候,也会有这样的现象产生。通俗的讲就是,不同频率的声音在介质中传播的速度不一样。这个现象,声学家们沿用光学中的术语,也称之为色散,或者叫作频散。

声音在某些介质中传播之所以会发生色散,原因在于介质中有所谓的弛豫现象。当声波在某些介质内传播的时候,会激发介质内部自由度,包括分子的振动与旋转、离子化和离解、化学反应,等等。声波前进的能量转化为这些内部自由度需要一定的时间,这段时间称为弛豫时间。

声波的频率如果很高,声波的一个周期远小于弛豫时间,介质内的自由度还没有激发就过去了,那么介质内部自由度就好像不存在一样。声波的频率如果很低,一部分声能就会转化为介质内部自由度的能量,这样声波前进的能量就会减小,介质的弹性和声速就会降低。换句话来说,在具有弛豫现象的介质中,低频声传播得要慢些,而高频声传播得相对较快。

除了上述原因能够导致声音的色散现象外,还有另外一种色散,这种色散是由于介质存在边界所引起的。当板或者杆的厚度或直径比声波的波长要小很多的情况下,板和杆上传播的弯曲波就会有色散现象存在,即频率高的声波和频率低的声波在其中传播的速度会不一样。这是因为薄板或者细杆是在一个波长范围的弯曲,波长越短,弯曲越不容易,就相当于弹性增加,弹性的增加会使声速增加。研究表明,在上述薄板和细杆中声波的传播速度随频率的平方根而增加。

随着知识的积累,我们将对声波的色散有更多的了解。

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