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聽聲音(十):為什麼救護車經過的時候會低半音?

2015/02/16 | | 標籤:

作者 官大為(Wiwi)

恭喜你成功度過了前五篇充滿數字、頻率、分數、根號和數線的文章,如果你還沒讀過的話,拜託現在先按這個連結:聽聲音(五):分割聲音的光譜,先去看看它們,基於以下的兩個原因:

  1. 了解聲音的頻率和音樂的關係,會讓你聽音樂時能聽到更多,而且有了這些知識,你也會更容易了解我往後的更深入的文章。以及,
  2. 我寫很久耶。

今天我們要來說說聲音在空氣中傳播的故事,以及為什麼救護車從你旁邊經過的時候都會低半音。

聲音跑多快?

以日常生活中的情況而言,聲音和光線的反應感覺上都是即時的:你一按下鋼琴的琴鍵,「馬上」就會聽到聲音;你一把手電筒打開,「馬上」就看到亮光。

但事實上光的速度是比聲音的速度要快上很多很多的:光線一秒鐘可以走大約三十萬公里,差不多可以繞地球七圈半;而聲音在空氣中一秒鐘只能走大約 340 公尺〈註〉,連操場一圈都還繞不完。

而正是因為聲音傳播有這種「低速」的特性,你才能聽到低半音的救護車。

所以為什麼救護車會低半音?

根據天文學家 John Dobson 的解釋,救護車會低半音是因為「它沒有撞到你」,雖然這個回答一點都沒錯,不過我們還是來看一下詳細一點的原因好了。

如果一個物體是在原地發出聲音的話,它的聲波會以大約每秒 340 公尺的速度平均向四面八方移動。這時候不論你是在物體的哪一個方位,每秒鐘傳入你耳朵的聲波振盪數量都是一樣的,也就是你會聽到同一個音高的聲音。

但如果物體往右移動呢?往右移動中的物體,會追上右方它自己剛剛發出的聲波,導致右方聲波的密度變高。所以如果你在右方聽的話,你就會聽到頻率比較高的聲音,反之,如果在左方的話,就會聽到頻率比較低的聲音。

這就是為什麼救護車會低半音的原因:當救護車朝你開過來的時候,你聽到的是它前端的,被壓縮得比較密集的聲波;當它一經過你離你而去的那一瞬間,你聽到它後端的、比較不密集的聲波。

救護車開太快就爆炸了

如果救護車開得很快很快,跟聲音一樣快的話會怎麼樣?

如上圖,如果救護車往右開的速度跟音速一樣快的話,所有它發出來的聲波就會被堆積在同一個點,結合成一個超強震波,「碰!」

我們叫這個現象叫「聲爆」(sonic boom),你看到超音速戰鬥機飛行的時候,旁邊繞著一圈漏斗狀的雲霧,就是聲爆造成的水氣凝結。

救護車開多快?

在前幾篇文章,我們已經知道了聲音頻率高低跟音階的關係,現在我們又知道了聲音的傳播速度,我們就可以根據救護車經過你旁邊的音高變化來判斷救護車到底開多快。

如果救護車是靜止不動的,當然音高也是保持恆定的:

當救護車以時速 75 公里朝你直駛而來時,你聽到的救護車聲音會比實際上的高半音;而當它以時速 75 公里離你而去時,你聽到的聲音差不多會低半音。也就是說一來一往加起來,前後就差了一個全音了:

當速度來到時速 150 公里時,前後的高低差會來到兩個全音,或者用專業術語說,「大三度」。

當救護車以音速(約時速 1225 公里)開過來時,在經過你之前你不會聽到任何聲音。然後它開到你旁邊時,你會聽到瞬間的「聲爆」,然後是低八度的救護車聲音。

還有更多⋯⋯

關於日常生活中的聲音,還有很多值得說的故事,我們就下篇待續囉!

(Wiwi)

註:聲音在空氣中的速度要看溫度而定,溫度越高的話速度越快。在攝氏 20 度的氣溫下,聲速差不多是每秒 343 公尺。

轉載自MUZiK ONLiNE 名家隨筆

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