互动科普

同一个声音，音高会因听到的地点不同而发生变化

你听到一个声音，远处另一个人也听到了这同一个声音，但是，他和你听到的这个声音的高低却有可能不同。

真的会有这样的事情吗？例如急驶中的急救车发出的警笛声，由于发出声音的“声源”处于运动状态，就会出现这种情况。

如右侧图解所示，一辆急救车鸣着警笛正在道路上快速行驶。图上只画出了急救车发出的声音（疏密波）的“密”的部分。那最初发出的“密”的部分（黄色）以球面形状向外扩展。经过极短时间，急救车行驶到稍微靠前的位置，从那里再发出下一个“密”的部分（绿色），它也以球面形状向外扩展。

急救车一面行驶一面在不同位置一个接一个地发出“密”的部分。这时，来到急救车前方那个人位置的将会是比声音本来频率更加频繁到来的一个个“密”的部分，因而他听到的是比本来声音的音高要高（频率高）的声音。

与此相反，来到急救车后方那个人位置的将会是稀疏到来的一个个“密”的部分，因而他听到的是比本来声音的音高要低（频率小）的声音。这样，相对于运动中的急救车的位置不同，听到同一个声音的高低就出现了差异。这种现象叫做“多普勒效应”。

那么，我们独自一人怎样来觉察这种多普勒效应呢？

回答是“注意听声音音高的突然变化”。例如，当一辆急救车向你驶来时，你注意听它的警笛声。急救车驶过你身旁的一瞬间，你会听到声音突然一下子由高变低了。你虽然站着没有动，但是在急救车驶过身旁的那一瞬间，相对于急救车，你的位置却从听到高音的区域（急救车前方）突然移动到了听到低音的区域（急救车后方），因此你感觉到了声音的变化。

光也有多普勒效应。多普勒效应会改变光的“频率”，从而改变光的“波长”。光的多普勒效应的结果是被看见的光的“颜色”发生了改变。例如，不论迅速朝向地球运动还是背向地球运动的恒星，由于多普勒效应，观测到的它们的颜色都与恒星原来的光的颜色不同。

具体说来，发光恒星朝向地球运动，向地球靠近时，从地球上观测到来自它的光的波长比原来的波长短，略微偏向蓝色（蓝移）。反之，发光恒星背向地球运动，离开地球远去时，从地球上观测到来自它的光的波长比原来的波长长，略微偏向红色（红移）。通过分析这种颜色变化，可以推断出恒星的运动情况。

图1. 来自作高速运动的恒星的光，颜色已经改变

追过自己发出的声音：“声音冲击波”

声音在低空空气中传播的速度为每秒340米，换算为时速是1224公里。这当然是非常快的速度。然而，我们人类已经实现了比这个声速还要快的“超声速飞行”。

不过，以这样快的速度飞行也会带来一个麻烦。这就是，飞机以超过声音的速度飞行会在地面引起“咚！咚！”两次十分骇人的爆炸。这种非常响的轰隆声（叫做“音爆”或“轰声”）自然会影响人们的正常生活。为什么会产生这样的问题呢？

当飞机的飞行比声速慢时，飞机发出的声音向周围扩展开来，当然也会向前超过飞机。这是因为声音行进得比飞机快。可是，一旦飞机的飞行的速度超过声音，在飞机的前方就不会再有声音。这是因为飞机追赶超过了向前行进的声音。

在这种情况下，在以超声速飞行的飞机的周围会形成两个“冲击波”。冲击波是空气的“疏”和“密”差别很大的一种声波。

飞机作超声速飞行，会形成一个以其前端为顶部向后逐渐扩展开来的圆锥形高压（压强大）区，这是冲开空气的飞机在各个时刻产生的球状声波的“密”的部分排列在一起所形成的高密度空气。这就是第一个冲击波。同时，在飞机的后面，在各个时刻产生的球状声波的“疏”的部分排列起来又会形成一个以飞机尾端为顶部向后扩展开来的圆锥形低压（压强小）区。这就是第二个冲击波。这两个冲击波都在飞机的后面扩展，传播至地面，就是“咚！咚！”两次音爆。

这种爆炸声的大小同飞机的形状和大小有关。日本的JAXA（宇宙航空开发研究机构）希望能够开发出一种尽可能不产生冲击波的新型客机，目前正在加紧进行研究。

图2. 以超声速飞行，会形成圆锥形的冲击波

图解显示了以2倍声速飞行（马赫数2）的飞机产生冲击波的原理。当飞机追过自己发出的声音时，在各个瞬间产生的声波的“密”的部分互相重叠和“疏”的部分互相重叠，同时形成两个冲击波。此图中只画出了每隔1秒钟飞机产生的声波。

现在，为了避免音爆干扰地面居民的生活，已经禁止在低空作超声速飞行。

通常的看法是，不可能有超过光速飞行的飞行器。不过，这里说的光速是光在真空中的行进速度。光通过水一类物质，速度要比在真空中慢。超过这种“在物质中的光速”，从理论上说，并非是不可能的事情。

事实上，科学家已经观测到了“带电粒子超过（在物质中的）光速运动的现象”。粒子这时会发出“切伦科夫光”，可以说这就是“光的冲击波”。例如，已经证实在原子反应堆中就能够产生这样的粒子。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）