互动科普

声音和光都是“波”，但速度悬殊

在远处观赏焰火的时候，先看到夜空中散开的焰火，稍等一会才听到“啪”的爆炸声。这大概是谁都有的经验吧，烟花弹打上高空，在空中炸开的瞬间是先发出爆炸“声”，此后，燃烧的火药向四面八方飞散开才发出灿烂的焰火“光”。这就是说，焰火打开时实际上是先发出声音，后发出绚丽的光。

焰火的声音在空气中的行进速度是每秒340米（每秒0.34千米）。然而，比声音后发出的光却是以每秒30万千米的速度行进。速度远大得多的光追赶和超过声音，在声音才行进了0.5毫米的极短时间便能够到达距离400米远处的观众。事实上，在缓慢行进的声音到达观众的这段时间，光早已经走完了从地球到月球的距离。

从这个例子可以看出，光和声音，两者的速度相差极大。所以如此，是因为声音是“物质的振动”，而光却是完全不同的另一种现象。

然而声音和光都具有“波”的性质。因此，尽管是不同现象，声音和光却有许多类似的性质。下面，我们就来介绍声音和光的那些作为波的共同之处。

图1. 打上高空的焰火打开后1秒钟的样子

图解显示的是烟花弹在夜空中炸开后1秒钟的情景。烟花弹爆炸时发出的“啪”声此时才行进了约340米的距离，而焰火发出的光却早已经到达并通过了焰火师（右下）和观众（左下）所在的地点。焰火师距离较近，当他听到空中焰火打开发出的爆炸声时，距离较远的观众还没有听到声音。

从“波形”看声音的高或低，强或弱

我们的耳朵可以分辨出钢琴的高音和低音，这些高低不同的声音都是疏密波。那么“音高”是由什么决定的呢？

分析钢琴发出的疏密波，可以发现高音的那些振动彼此间隔较小，而低音的那些振动彼此间隔较大。这就是“音高”的秘密。例如，在1秒内振动次数多的是“高音”，振动次数少的是“低音”。这个“在1秒内的振动次数”叫做“频率”，以“赫兹”为单位来表示。由于振动次数越多意味着疏密波的一个波的长度（波长）越短，因而比较不同疏密波的波长就可以知道它们声音的高低。

那么，“声音的大小”（声音强度，又叫做“响度”）又是由什么决定的呢？

我们来看用力敲击大鼓的例子。大鼓附近的疏密波，其中“密”的部分聚集了很多的空气，“疏”的部分只有很少的空气。这里的声音很大（强）。然而在距离大鼓较远地点的疏密波，其中“密”的部分只是聚集了稍微多一些的空气，与“疏”的部分的空气相比，密度差别不是很大。这里的声音很小（弱）。这就是“声音大小”的秘密。“密”的部分和“疏”的部分密度差别（振幅）大，声音就大；相反，密度差别小，声音就小。

这就是说，一切声音的高低和大小都取决于疏密波的形状。我们人类的听觉能够分辨出疏密波的形状。

实际上，光也有类似的情况。光的“颜色”取决于光波的频率，而光的“强度”取决于光波的振幅的大小。

图2. 声音的频率和振幅

声音的高低取决于1秒内的振动次数（上图），低音的波长（波长较长，左侧）而高音传播的是密集的振动（频率高，右侧）。

声音的大小取决于“疏”和“密”的差别（下图），在大鼓近旁，“疏”和“密”的密度差别大（左侧），而在离大鼓较远的地点，疏密波较弱，“疏”和“密”的差别不大（右侧）。

人类听不到的声音和看不见的光

声音和光，我们人类的听觉和视觉能够感觉到的其实只是其中的极小一部分。把那些我们感觉不到的声音和光也包括在内，按波长来分，究竟存在着哪些不同的声音和光呢？

我们听不到的高音（波长短的）声波叫做“超声波”。我们常见的一种利用超声波的技术就是在医院里用来检查我们身体内部的那种“超声波诊断仪”。

超声波诊断仪向体内发出短促的超声波（脉冲）。超声波在穿过人体的过程中，遇到各种脏器或胎儿等会被反射回来。仪器接收到这种反射声（回声），经过分析处理，便在显示屏上显示出体内的图像。利用短波长的光也可以检查人体的内部，这就是使用波长很短的X射线的“X射线透视仪”。X射线透视仪的原理是，X射线透过人体不同组织的比例（透射率）各不相同。

在另一端，人类听不到的低音（波长较长）声波叫做“次声”（超低频声）。例如地震时和从繁忙的高速公路传来的声音就是这种次声。同样，也有波长很长的光，例如电视和移动电话传送信号的那种无线电波，那也是光的一种。

这类次声和无线电波，只要不是太弱，可以传播很远的距离。噪声和地震波，如果不是很弱，可以传播很远的距离，这当然不好。然而无线电波能够传播非常远，则是一个可以加以利用的优点。

波长在上述“短波长的声音和光”与“长波长的声音和光”之间的声音和光，则是我们人类可以听到的“可闻声”和可以看见的“可见光”。

“可闻声”的频率范围（或波长范围）很宽，从20到2万赫兹。这也就是说，我们可以听到频率高低相差1000倍的声音。人以外的生物，狗能够听到频率高达15万赫兹的声音，蝙蝠甚至能够听到高达20万赫兹的声音。

相对而言，我们能够看见的“可见光”的频率范围（波长范围）却很窄，高低仅相差2倍。比如说，我们能够分辨出海洋是“蓝色”，苹果是“红色”，这只是光的频率（波长）的很大一个变化范围中的一小段。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）