声学问答——水中之声

• 为什么水对声音的吸收比空气少？课本上说，水中1千赫信号的介质吸收率约为0.008 分贝/100米。空气中的信号丢失率要高得多：约为1.2 分贝/100米。

假设可以极快地为声波传播的特定属性拍照。沿着声波，压力从稍大于大气压，复归于稍小于大气压。高压区比低压区稍热一些。两个区域的距离是半个波长：空气中1千赫声波的波长是170毫米。少量热能会从热区域传播到冷区域去。这只是很小的量，因为，在半个周期（我们的例子是0.5毫秒）之后，温度梯度又会反转了。虽然量小，这个非绝热过程就是声音在空气中丢失能量的原因所在。

如果提高频率会怎样？热量传递要走的距离变短（更小的半波长），但可用的时间也少了（更短的半周期）。这两个因素并不互相抵消，因为扩散（热或化学成分）所花的时间与距离的平方成正比。由此，高频声波会比低频声波丢失更多的能量。顺带地，这是我们能判断声音是否遥远的原因之一：遥远的声音丢失了更多的高频能量，这促成了其‘沉闷’的听觉特征。（另一个原因是声音成分间相对相位的改变。）

好，现在我们来深入主问题。三个不同的参数让水中声波的丢失更少。

• 首先，水中声波传播速度比空气快好几倍。（虽然水的密度要高出约800倍，其弹性模量要高出约14,000倍）所以，在给定的频率下，波长更长，热量要走的距离更远。

• 第二，水传导热量不如空气那么快。（如果最近在冷水中下潜过，这听起来可能有点儿奇怪，但冷水中的感觉大部分是由水的比热较大引起的。更别提出水后可能穿得更多这一条了。）

• 第三，在给定外界压力下，水温比气温上升小。

正如课本数值所描述的那样，三个效应都作用于同一方向，积累起来的效应是可观的。

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