关于声音，大多数人对于声音的了解或者仅在物体震动发出声响这一概念中。

当然，这种说法是简化后的，严格意义来讲，声音的形式和表现要比我们日常生活中所了解到要复杂得多。

 

在物理学中，声音可以在空气、水和固体等介质中以纵波的形式产生，在固体中则以横波的形式出现。

声源决定了声波的产生，例如立体声扬声器中的振动膜片。

声音的纵波

声源在周围介质中产生振动，随着物体继续振动介质，振动以声速从声源处传播出去，从而形成声波。

为什么在这儿我们要阐述一遍关于声音的基础物理理论呢？

相信有人注意到文中提及的声波，这是声音作为能量的表现形式。

声波的表现变化会在距离声源固定距离处，介质的压力、速度和位移上随着时间变化发生改变。

处于振动下的波

另外，介质的粒子不随声波传播，这在固体传播中尤为明显。而我们常说的声音，则是声波的直接表现。

介质的密度决定了介质内的声速，介质本身的运动也会影响声波的效果，最后是介质的粘度，粘度会决定声音衰减的速率。

说回声波，纵向声波是交变压力偏离平衡压力的波，并导致局部区域的压缩和稀疏。

而横向波，则是变剪切应力与传播方向成直角的结果。

同时我们也必须注意声压的情况，它是由声波引起的与环境大气压力的局部压力偏差。

在空气中，声压可以使用麦克风进行测量。

跨音速运动下产生的普朗特-格劳特奇点

声压可以体现声音的强度，在声波中，声压的补充变量为粒子速度，它们共同决定了声波在声音中的表现强度。

声压等级的表现则用声压级来表示，因此我们日常生活中所讲的多少分贝正是描述的声压等级。

但需要注意的是，声压级是声音对数度量有效压力相对于参考值而言。

根据声压公式我们可以得知，空气中常用的参考声压为p 0 =20 μPa。

一般这是人类听觉的最低阈值，大约是蚊子飞出3米的声音。

不同感知响度级别的声压与频率

声压等级带来的变化

接着，我们进一步来了解关于声音的其他问题。

通过前文的介绍，现在我们可以已经空气中的声音传播是纵波。

声音作为能量表现，声波有着高压区和低压区，并且会在其中反复传递。

 

从这张图中我们可以直观地了解到声波的运动状态，较暗的区域表明这些空气颗粒比周围的空气更密集，因为它们有着更高的压力。

另外图中的3个红点标记了单个的空气粒子，这表明它们本身在波通过时不会移动很远，而是以来回摆动的方式进行。

行波动画显示高压区域，然后是低压区域

然而在自然界中，声波不会只向一个方向进行移动，而是朝着所有方向传播。

在地球上，虽然可以产生任意高压，但是低压的环境不能低于真空，这会限制气压振荡的大小，自然也会限制可持续声音的响度。

原因在于空气的稀薄压力不能低于此真空，所以持续状态下最响亮的声音应该在真空和2个大气压之间振荡的压力波。

声音会朝向四周散开

所以综合以上，由于环境气压的偏差，连续状态下的声音在101.325千帕的压力偏差下为194分贝。

换句话来讲，基于我们所在的大气压力下和环境状态中，声压的表现不会大于这个值，声波在这个环境下不会有更高的振幅，因此声音在海平面基准下的气压环境中不会超过194分贝。

当然，如果我们将环境变量和媒介进行改变，声音的最大值也会发生改变。

例如在深海中，194分贝甚至不接近最大动态压力。

这不仅是因为水中的声压参考变成了1微帕，并且环境压力也比大气环境高得多。

水与空气的波幅传播差异明显

正如前面所说，分贝并不以线性比例增加，而是一个对数刻度。

举个例子，100分贝的声音并不是就比50分贝的声音大出两倍。

当一个物体发出高出10分贝的声压时，音量则会高出10倍，当它高出20分贝的时候，则它的音量则会高出100倍，如果高出60分贝，则会高出1000000倍。

单位为 W/m2声源和动态指标的分贝

所以声音的表现在今天才会被作为一门重要的科学，并且体现在现代科学中的方方面面。

有人或许会问，如果大于194分贝会怎样？

当声压的表现超过194分贝，会发生相当戏剧性的变化。

不过这里面我们同样也不能忽视环境差异带来的影响，例如深海下的抹香鲸的交流声能够达到230分贝。

而枪虾从虾钳中喷发的冲击波能够达到218分贝，这足以让它杀死比自己弱小的猎物。

枪虾的前肢能够发射强大的“冲击波”

一旦声音超过194分贝，它的整体表现就会更加强大，额外的能量会开始扭曲整个声波。

任何超过这个幅度的声音都更像冲击波，并且会有相当大的近真空区域。

这也是原子弹和破坏力极强的撞击能够传递出如此强大的能量的原因，过于强大的声压表现改变了能量形式。

 

超出声幅的能量

从物理学和数学这方面来讲，声音能有这个表现，甚至可以制造出一个黑洞。

尽管这个极其微小的黑洞只会存在极短的时间，但这也足以说明声音有多么强大。

首先需要说明的是，它不可能在空气中作为连续的声音，正如我们前面所说，所以这看上去更像是一个数学游戏。

如此夸张的分贝表现也就只有利用数学了

这意味着它必须是一种冲击波，可以压缩到高于大气压的压力，仅是制造一个中子大小的微型黑洞的密度的“音量”级别就需要1100分贝。

正因如此，声音的表现就不再是之前那么简单，几乎是一种纯粹的能量，能够在极小的空间内压缩介质。

如果是在大气环境中，则需要将5公斤的空气压缩为只有质子或中子半径大小。

然而这在物理学上则行不通，因为要想将5公斤的空气压缩至这么小的体积显然不行。

现实中由引力波构建的黑洞声像

因为黑洞的密度会随着质量的平方反比下降，例如一个50公斤的黑洞有百分之一的一个半径为5公斤的黑洞密度。

所以，这也不会有足够的超压来达到1100分贝。

声音的表现就是如此强悍，可一旦脱离了环境本身，声音也会显得无能为力，因此我们也记住了声音不能在真空中传递。

对于声音来讲，尽管日常生活中我们不会遇见如此夸张的声压表现，但我们仍得注意当自身暴露在高分贝环境下，身体是会遭受损伤的。

噪音分布量表

人体在125分贝甚至更低的声音暴露时就会感到急性疼痛，并且这种损伤会直接损害耳朵的构造，并且造成不可逆的损伤。

另外，只要环境够安静，我们还能够听到身体发出的声音，例如心跳声、胃肠道蠕动的声音。

要说地球上曾经出现过的最强音，应当要数核爆。

正如我们前面所说，声音一旦超过194分贝，就会成为冲击波这种纯粹的能量。

轰炸机上拍下的爆炸场景

沙皇炸弹的试爆是人类有史以来制造出的最强声音，基于相关的计算统计，沙皇炸弹爆炸时制造出了224分贝的效果。

如果人暴露在这个环境下，只需要一瞬间就会被杀死。

所以高强度的声音不仅会给人体带来伤害，更是将自己暴露在死亡的风险中。

在世界范围内，人们通常将85分贝规定为人类听力的警戒值，这是能够给听力带来损伤的极限。

噪音会给人类带来的损伤

如果长时间（8小时）暴露在这种环境下，便会导致听力丧失。

尽管如此，世界卫生组织建议人类活动尽量在50分贝以内，超过这个标准会导致睡眠障碍，并影响人的学习和思考能力，由此降低生活质量。

或许下一次，当我们面对声音时便可以更好地去解读它。