在雷鳴電閃的雨天，我們總是先看到明亮的閃電，過一會(huì)兒才聽到隆隆的雷聲。這個(gè)現(xiàn)象告訴我們，聲音在空氣中的傳播速度比光速慢得多。因此，我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法來測(cè)量空氣中的聲速。當(dāng)獵人向空中飛鳥舉槍射擊時(shí)，站在離他1500米遠(yuǎn)的觀察者，先是看到了槍口冒出的青煙，接著看到飛鳥從空中落下，過一會(huì)兒才聽到槍聲。如果用秒表測(cè)得，從看到青煙到聽見槍聲，這段時(shí)間為4秒，則聲速為

    式中t為攝氏溫度數(shù)值，V₀為0℃時(shí)的聲速。（1）說明，聲波在空氣中的傳播速度僅是溫度的函數(shù)，它與溫度的平方根成正比，其圖像如圖1所示。

圖1

當(dāng)t=0℃時(shí)，由（1）式可算出聲速為331米／秒，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合。下表給出了幾種氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的聲速。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下幾種氣體中的聲速

空氣是可以壓縮的。當(dāng)空氣的質(zhì)量一定時(shí)，壓力和密度成正比，所以壓力改變時(shí)，密度也按比例改變，聲速不受影響。當(dāng)空氣中有水蒸汽時(shí)，會(huì)影響空氣中的聲速，水蒸汽的密度只有干燥空氣密度的0.62倍。潮濕空氣比干燥空氣的密度小，所以濕度增加時(shí)，聲速也增加，但這種影響不大，可以忽略不計(jì)。

在（1）的推導(dǎo)過程中，是把空氣作為理想氣體處理的。實(shí)際上，地球周圍的大氣層并不像理想氣體那樣是均勻的、靜止的，幾乎每天都有風(fēng)，大氣的溫度隨著高度而改變，白天和夜間的溫度梯度也不一樣，此外，大氣中還常常有湍流，不同地區(qū)氣象變幻無常，這些因素都會(huì)影響聲波在大氣中的傳播，情況十分復(fù)雜，因此（1）式計(jì)算出的聲速有一定的近似性。

在通常情況下，空氣溫度每升高1℃，聲速大約增加0.6米／秒，因此，在要求不高的場(chǎng)合，可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式做近似計(jì)算：

V=331+0.6t　　　　　　　　（2）

式中t為升高的溫度數(shù)值，單位為℃。

（2）式表示，空氣中的聲速與溫度近似成線性關(guān)系，其圖像如圖2所示

圖2

用來表示聲波傳播方向的線叫做聲線，它總是與聲波的波面垂直，在不同的介質(zhì)中，聲速是不同的，當(dāng)聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生折射并遵循折射定律。溫度不同的兩層空氣具有不同的聲速，溫度較低的空氣層中聲速較小，溫度較高的空氣層中聲速較大，因而可以將它們看成兩種不同的介質(zhì)，當(dāng)聲音從低溫層向高溫層傳播時(shí)，折射角大于入射角，

    當(dāng)入射角達(dá)到某一臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，聲線不再進(jìn)入更高一層大氣，而開始向下反射，圖3中的P點(diǎn)就是這樣的臨界點(diǎn)。反之，當(dāng)聲音從高溫層向低溫層傳播時(shí)，折射角小于入射角，聲線將向上彎曲（圖4） 。

圖3　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4

這種由于大氣層中溫度不均勻，因而聲速不同，造成的折射現(xiàn)象，對(duì)聲音在空氣中的傳播會(huì)產(chǎn)生很大影響。

白天，太陽把地面曬熱。特別是炎熱的夏天，地面被曬得滾燙，靠近地面的低空大氣，溫度較高，高空大氣，溫度較低，地面上的聲音發(fā)出的聲波被折射時(shí)聲線向上方彎曲，在離聲源稍遠(yuǎn)一點(diǎn)兒的地方，聲音就聽不到了，形成了靜區(qū)（圖5）.

圖5

夜間的情況正相反。在日落之后，地面迅速變冷，靠近地面的低層大氣溫度也隨著下降。因而離地面越高，溫度也越高，地面上的聲源發(fā)出的聲波折射時(shí)，聲線向下彎曲（圖6）.

圖6

這些聲線經(jīng)過一段距離后，折射到地面再被地面反射回來，反射線的方向是向上的，這些反射波再次被折射，仍然向下彎曲，于是形成一個(gè)個(gè)拱形的聲線，并由地面一次次的反射，聲波就像圖7那樣，始終貼著地面一跳一跳的前進(jìn)。在拱形的下方形成若干個(gè)不連續(xù)的靜區(qū)。聲波的能量集中在地面附近，不會(huì)擴(kuò)散到空中去，因此夜間聲音可以傳的很遠(yuǎn)，而且有時(shí)會(huì)出現(xiàn)近處聽不到的聲音，遠(yuǎn)處卻能聽到的有趣現(xiàn)象。

圖7

有風(fēng)時(shí)，實(shí)際的聲速是平均聲速與風(fēng)速的矢量和。順風(fēng)時(shí)，風(fēng)速與聲速方向相同，合成聲速比平均聲速大。逆風(fēng)時(shí)，風(fēng)速與聲速方向相反，合成聲速比平均聲速小?？拷孛娴拇髿馀c地面摩擦，使風(fēng)速逐漸減小，但是對(duì)風(fēng)速影響較小。高空的風(fēng)速較大，對(duì)聲速的影響也較大。無風(fēng)時(shí)，聲線是從聲源輻射出去的直線，波面是一組同心球面（圖8）。

圖8

有風(fēng)時(shí)，聲線好像被風(fēng)吹彎了一樣，順風(fēng)的一面，高空聲速比地面附近大，聲線向著聲速較低的地面彎曲，逆風(fēng)的一面，高空聲速比地面附近小，聲線向著聲速較低的高空彎曲，波面也發(fā)生了畸變，像一個(gè)肥皂泡被氣流吹歪了似的（圖9）。在逆風(fēng)方向出現(xiàn)了一個(gè)靜區(qū)

圖9

中國(guó)科技館一期展廳有一個(gè)名為《聲音在空氣中的傳播速度》的展品。就是讓觀眾了解聲速測(cè)量方法的。展品外形及主要結(jié)構(gòu)，如圖10所示。（有關(guān)該展品的評(píng)論詳見《一個(gè)似是而非的展品》一文）

圖10 展品《空氣中的聲速》

【作者】中國(guó)科技館劉錫印