为什么在水下与人交谈声音比在空中传播更困难？
科技领航人2020-04-26 16:27
声音在水中传播的速度比在空气中传播的速度快。在典型条件下，空气中的声音速度约为每秒343米，而水中的声音速度约为每秒1,480米。
图注：声音在水下的传播是如此之好，以至于潜艇使用基于声音的声纳来成像其周围环境。从根本上讲，标准声音是通过物质传播的压缩波。您可以将一种物质视为由弹簧（代表原子之间的键）连接的球（代表原子）组成的网格。当您推动网格中的几个球时，它们会在一侧更靠近其邻居，并且将这些球与邻居相连的弹簧压缩。但是压缩的弹簧会弹回，将球推回到其原始位置。
但是，在此过程中，相邻的球被推压，导致连接它们和它们的邻居的弹簧压缩。这个过程以多米诺骨牌的方式重复，您会得到一条压缩波，穿过球的网格。以类似的方式，标准声音是通过材料中原子和键的传播的压缩波。
考虑到声音的压缩波特性，应该认为较硬的物质会以较高的速度传播声音。在球和弹簧的隐喻网格中，较硬的弹簧将快速回弹，从而导致波更快地传播。同样，在实际材料中，原子之间较硬的化学键导致音速更快。
诸如空气和水之类的非刚性材料的声音速度相对较慢，而诸如钻石和铁之类的刚性材料的声音速度却较高。关键因素是所涉及化学键的刚度，而不仅仅是存在的分子类型。例如，以冰形式结合的水分子的声速是液态水的两倍。
但是，除了化学键（弹簧）外，我们还需要考虑更多。我们还必须考虑原子本身（网格中的隐喻球）。更大质量的球需要克服更大的惯性，因此需要更长的时间来响应邻居的推动。通常，其他所有条件都相同，较重的物质（具有较高质量密度的物质）的声音速度较慢。在确定给定物质中的声速时，物质的刚度和密度往往会相互影响。
尽管固体通常比液体更硬，所以固体通常比液体具有更快的声音速度，但是这种概括并不总是正确的，因为密度也起着作用。轻而硬的液体（例如甘油中声波传播v = 1900 m / s）比重的海绵状固体（例如橡胶中的声波传播v = 1600 m / s）具有更高的声速。水比空气更稠密，其刚度却比空气大得多，高密度且刚度更强使得水中的音速比空气更大。
但是，声音在水中传播的速度比在空中传播的速度快的事实提出了下一个问题：为什么在水下与人交谈比在空中传播更困难？答案是声音从空气到水的耦合效果很差。当您讲话时，您可以通过发出空气然后通过该空气发送压缩波来实现。肺部提供空气，而振动的声带和嘴巴会在空气上留下适当的声音波形。
图注：像海豚就能在水下很好的传递声音，因为它不存在空气-水界面对声音的反射。为了让水下的人听到您的声音，声波必须从嘴里的空气传播到周围的水中。声波很难从空气进入水中，并且大部分在空气-水界面处反射而不是传播到水中。如果您的肺部和呼吸道充满水，并且您的声带和肺部经过调整可以处理水，那么您将在水下产生更好的声音，因为将不再有空气-水界面对声音的反射。
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