为什么声音传播的极限194分贝

大家知道,声音产生的根源在于物体的振动,而振动则需要相应的介质,无论是固体、液体还是气体,只要有输入的能量推动物体的组成分子发生振动,那么就会产生振动。在振动产生以后,会通过介质将声波向外界传递,当被人的听觉器官感受到后,就形成了声音。

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

对于声音的强弱,物理学上用分贝来体现。据实验测定,人们通常只能感觉到15分贝以上的声音,如果还低于这个数值,即使存在振动,人耳也感受不到。从声波产生的机理出发,我们可以知道,如果没有振动,则就没有了声音。按照常规的理解,只要在一个介质环境中,输入的能量越大,那么所产生的振动就会越强,理应声音的分贝值就越高,那么,为何科学家们说声音分贝的最大值是194呢?

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

首先需要明确“分贝”的概念

在声学领域,分贝是表征声音响度的单位,名称的来源是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”,人耳所能感受的声压范围,一般为0.00002到20000帕斯卡之间,大约相差了10个数量级,这在日常生活中描述声音的响度上,带来了很多不便。

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

所以,在实际应用中,人们将声压值取10的对数然后再乘以2,得到声压的“贝尔”值。比如,人耳所能感受到的最小声压0.00002作为1倍参考声压,对其取10的对数然后再乘以2,即2*lg1=0;人们正常说话时产生声波的声压为0.02帕斯卡,按照上述方法换算成的“贝尔值”为6;炮弹爆炸时产生声波的声压约为20000由斯卡,对应的“贝尔值”为18。

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在实际生活中,人们所遇到的极低声压和极高声压情况仍然是比较少的,周围环境中的声压值,用“贝尔”这个单位来表达,一般情况下大约处在8-13之间。这就出现了一个问题,用“贝尔”来表达日常生活中人们对声音的感觉,仍然显得过于粗略,所以科学家们在“贝尔”的基础上,引入了“分贝”的概念,即在1贝尔声压的间隔下,又划分出了10份,这样不同声压的声音,就会体现出“三六九等”来,在人体的直觉和认知上更好地能够理解和接受。

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换算成“分贝”之后,我们所能听到的声间最低值应该在15分贝左右,正常说话的声音大约为60分贝,电钻的声音为90分贝,炮弹爆炸的声音大约为180分贝。

为什么“分贝”值有上限?

在物理学上,声压虽然单位是帕斯卡,但它与真正意义上的压强有着很大的区别,它是声波在空气中上下振荡过程中,对空气的挤压和拉伸所形成的,因此声压的数值,取决于声波纵波振动的幅度,即以背景压强为0时在上下方向上的偏离程度。

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

声波的产生,必须依赖于介质分子的相互撞击,形成从声源到耳膜的传输通道,能量在此过程中实现传递。而能量的传递,必须依赖于不同区域之间的“能量差”,即从能量高压区域向着低压区域延续。

我们知道,空气中低压区域最低的理想状态就是真空,此时低压区域的空气分子水平已经不能再低了,声波纵波的振荡最低点也就到头了,如果再高,以声波的形式存在的基础就将不复存在,声波将无以为继进行传播。正是由于这个原因,声音是具有上限的。

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

我们可以通过计算,来看看这个上限值是什么。在地球常温常压环境中,声音达到上限时,其声波最低点达到真空状态,那么声波的振幅值将等于1个标准大气压,即为101325帕斯卡,振动时产生气压的最小值为0,最大为两倍标准大气压,即202650帕斯卡。

运用分贝的计算公式:Gp=20×lgP/P0,其中P为实测声压,P0为参考声压(0.00002),那么计算出在最大实测声压为202650帕斯卡情况下,所对应的分贝值为194db。这也说明,在地球表面正常空气压强下,理论上声音的最大分贝值不能超过194。

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

假如输入的能量过多,会出现什么状况?

声波的产生,是由于外界能量的输入,引发介质分子的振荡所产生的。通过刚才的分析,虽然知道了声音最“响”只能达到194分贝,但是能引发声波的能量,理论上可以会非常大,这个时候声音会变成什么呢?

刚才提到了,引发声音强弱的关键,在于声波的振幅,当输入的能量达到一定程度以后,会形成声波振幅的极限,到此为止声波的强度就到头了。那么,剩余的能量将不再能使空气分子发生更大的振动,而是推动空气分子发生整体的移动,从而形成冲击波。

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

比如,核弹爆炸时,以爆炸点为圆心,在向四周传播声波的同时,在巨大能量的推动下,会形成强大的冲击波,使周围区域外围空气中笼罩着高压分子,高压分子以极高的速度向外辐射出去,而内部则是处于真空状态。

在这种情况下,已经超出了常温下气态空气的最大压强范畴,那么按照“分贝”的计算公式,最大的实测声压,理论上则是空气从气态转化为液态临界点时所对应的压强,即260000帕斯卡,计算出的分贝值将会达到202db。与此同时,如果考虑核弹爆炸时空气温度的提升情况,空气从气态转化为液态,所需要的压强还要更高,所以势必再次提高分贝的上限值。

为什么声音最大是194分贝?如果超过能量极限,声音会变成什么?

综上所述,科学家们提出的声音分贝值上限为194,是基于常温常压下进行计算的,其依据就是声波振幅存在着上限。而一旦声源及周围区域的温度和压力提升的话,分贝值还可以继续上升,只不过这个时候声音已经不再是纯粹意义上的声音了,而是演变为冲击波的状态。

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