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聲/波動 標題:游泳池裡聽到的聲音?(水中聲波與聽覺)
1:陳建勳榮譽點數79點(研究所)張貼:2008-06-02 14:18:38:地點 South Africa George,本留言獲[]給賞金共 1 點

繼上次發表的那篇在泳池發現有趣的光折射現象
今天去游泳池游泳,又發現了一個有趣的現象


今天游到一半,泳池管理員開始作水池底部的清潔
他們是利用高壓水槍,來沖刷水底沉積的污垢塊
如下圖所畫:


那種水槍在噴出水柱時
會發出〝嘶嘶〞的聲音

之所以引起我的注意
是因為,當管理員將水槍從岸上拿到水裡時
瞬間,在水中的我,馬上聽到一陣清晰的〝嘶嘶聲〞
聲音〝清晰〞的程度讓我嚇到

如果我將頭伸出水面,就幾乎完全聽不到水中的〝嘶嘶聲〞
似乎,水槍造成的聲波並不容易從水裡穿出水面讓我們聽到

我又將頭沒入水中,聲音又突然變得清晰
重點是,我離管理員的距離並不近,至少超過30M
怎麼〝嘶嘶聲〞音量會這麼大?
(當然,如果我游靠近管理員近一點,聲音也會因此而再更大聲。)


我當下想到,有沒有可能是因為在水中,
耳朵中有水,而造成我們在聽覺上的放大效果?
我又做了一個實驗
進到水中之後,我用雙手手掌把耳朵塢住
但是我發現聲音,聲音竟然幾乎都沒變小,還是聽到清楚的〝嘶嘶聲〞
再試了一次,用手指塞住耳洞竟也是一樣

於是,我想到曾經聽說過,我們人不只可經由耳朵來聽聲音
舉個例子,當我們在吃東西時,嚼食脆脆的東西
我們可以聽到相當清晰大聲的〝卡哩卡哩〞聲
但在我們身邊的人,聽起來卻很小聲,甚至還不一定聽的到
這是因為,聲音震動經由我們的骨頭傳到我們的聽覺受器

所以,我猜可能是因為身體泡在水中
水中的聲波,藉由我頭部的皮膚傳入聲波
再穿過頭骨到達聽覺受器,而讓我聽到聲音
這其實也是魚類沒有外耳,卻能有聽覺的原因
參考這個網頁的資料:
http://www.nmmst.gov.tw/nmmst/talk_01.jsp?sub_no=7&a_id=10&TitleSub_no=7&topic_code=20
從人類的角度來看很難想像魚類會有聽覺,因為我們看不到魚有任何的外耳構造。事實上魚類有和人類很相似的內耳構造來負責聽覺。由於魚類生活於水中,且主成分與週遭的水體相近,因而魚類身體的「導音指數」與包圍於魚體的水體很相似,使得水中的聲音可直接穿透過魚體。換個角度來說魚體對水中的音波是「透明」的,因此水中的聲音可直接傳導到魚的內耳。魚的內耳係由左右對稱的三對感受器組成。除了前面提到的參與平衡調節的橢圓囊之外,另有球囊及瓶狀囊。在這三個感受器之內都有一塊耳石,,當水中聲音穿過魚內耳時,耳石的震動使得與其緊密接觸的髮細胞產生「動作電位」而將水中音波的訊號傳到腦部。使用直接震動耳石方式以達成聽覺的魚類,聽到的音壓至少約在100dB (分貝) 以上,而「音頻範圍」很少高於一千週波以上,大多數魚類,例如鯛類、鰹類、鱸類等 ),都是如此。另一方面有些魚類如鯉科及鯰科的魚類則演化出一種特化的方式以增進它們的聽覺。牠們脊椎骨的前三節特化成一系列的小骨,第一小骨直接插入內耳的球狀囊,第三小骨則直接與體腔內的鰾相接觸。由於鰾的密度遠較魚體其他部位來得低,因而能量較低的高頻度聲音也可刺激內耳的髮細胞。所以鯉科及鯰科經由鰾及特化骨刺的結構達到聽覺頻度範圍約4~5千週波,而可聽到的最小音壓值則可低到60~80微分貝之間,聽覺於是變的更靈敏

再補充一點
我們人體在水中的感受會受水的影響
因為我們平常生活在介質是空氣的環境
現在換到水中,介質特性不同,感官當然不同
參考這個網頁的資料:
http://uspc.com.tw/modules/xoopsfaq/index.php?cat_id=2#q31
Q:在水中視覺與聽覺有什麼變化嗎?
A:視覺變化:
  i. 光線進入水中後,會有折射現象。
     這種現象導致我們在水中見到的物體,看起來比實際上的體積大上1.25倍。
  ii. 也因水的折射現象,視覺上也會變近。
   視線距離會縮短為實際距離的3/4。
  聽覺變化:
  i. 由於水的密度較高,在水中聲音傳達速度,比在空氣中快4.2倍。
  ii. 由於傳播速率高,聲音傳入左右耳時,
   幾乎同時聽見,所以很難分辨聲音的方位。
 

再回到主題
今天我比較好奇的是,
我們之所以在水中聽到較大的〝嘶嘶聲〞,原因到底為何???

我猜有兩種可能:
第一:由於環境介質變成水,聲波較易進入人體,
   因此藉由皮膚穿透達到聽覺的效果。
   但因為平常不在水中,所以當我們感受到水中聽覺時,
   會有好像聽起來聲音很大的錯覺?
第二:聲波在水中的傳播,因為某種原因(?),不易發散?所以可以聽的很清楚?
   而且因為聲波在水中傳播的速度比空氣中快很多(比在空氣中快4.2倍),
   所以快速地在介質邊界反射,造成人體感受地點〝聲音重疊〞的增強效應?
   (游泳池牆壁或水底都算是好的反射平面,也許水面也有好的反射效果)

 

以上是我個人的一些看法,歡迎指正
不知道大家又有何想法呢?一起來討論吧∼
如果可以再做些有趣的實驗來證明,那又更好玩了∼


2:loge榮譽點數126點 (研究所)張貼:2008-06-02 14:49:16:地點 台灣台北 [回應上一篇]

聲音傳導本來就是 固體>液體>空氣

所以電影中才有人會用耳朵聽鐵軌判斷火車有沒有來

或者古裝片也會有人將耳朵貼在地上聽碼啼聲等等


3:黃福坤(研究所)張貼:2008-06-02 16:22:41:地點 台灣台北 [回應第1篇]
歡迎參考 波行進至兩介質介面時的行為 -- 反射與折射  然後於選單中選擇 聲音由空氣中傳入水中
因為空氣中聲速與水中聲速相差很大 因此從空氣中僅很小的入射角才可能傳遞到水中
角度稍微大一些 就會產生全反射
同樣的想一想 聲音從水中傳遞到到空氣中
  我想你可以知道原因為何了!



4:nbmi榮譽點數6點(大學理工科系)張貼:2008-06-03 13:35:34:地點 台灣台北 [回應上一篇]

關於皮膚的想法,

當頭探出水面的時候, 身體大部份就算都在水裡, 聲音還是變小很多~~XD

這說法雖然是可能的, 但以上面這點來看, 應該不是主因,

個人認為

簡單說, 空氣是聲音的不良導體,

所以當潛入水中時與發聲源之間的聲音傳遞路線上,空氣的部分變少很多,

所以就清晰很多


5:黃福坤(研究所)張貼:2008-06-03 22:25:27:地點 台灣台北 [回應上一篇]
當然聲音從水中傳到空氣中時 有較大比例會反射(即使入射角是零度時) 這也是原因之一
可是角度稍大時 其實根本無法有聲音透過折射傳出去 這也是另一個重要原因
在岸邊貼著地面 反而比較容易聽得見水中的聲音!


6:陳建勳榮譽點數79點(研究所)張貼:2008-06-04 02:03:23:地點 台灣台北 [回應上一篇]

請問教授:

您所謂〝聲音從水中傳到空氣中時 有較大比例會反射(即使入射角是零度時)〞
是何原因?

我知道上述行為並非全反射現象,
因為從〝快介質〞到〝慢介質〞的界面,無法發生全反射作用

是否是波傳遞的特性,從「快介質」到「慢介質」,
都會發生「反射的能量」大於「折射的能量」呢?

而您所謂〝角度稍大時 其實根本無法有聲音透過折射傳出去〞
是否意味著,「反射的能量」與「折射的能量」的比例,
也同時與「入射角度」有相關呢?

最後您說〝在岸邊貼著地面 反而比較容易聽得見水中的聲音!〞
是否是因為陸地的水泥是固體,對於聲波來說,是比水還要快的介質
所以依據上面的描述,波由「慢介質」到「快介質」有較高比例的能量會穿透呢?

題外話
由上面的說法,不禁讓我聯想到
隔音室的牆壁之所以可以隔音,是否也有利用上述特性呢?
在牆壁中保留一些中空區域,使否也能有效降低音波能量傳遞呢?


剛剛上網查了一些關於隔音牆的設計
似乎我上面的說法,還有待商確...
「在牆壁中保留一些中空區域,使否也能有效降低音波能量傳遞呢?」

參考這網頁
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1306053102591
有提到,牆壁裡若使用「實心磚」建造,其實隔音效果會好於「空心磚」!
原因是:『空心磚中間的空氣振動會引起牆壁共振』
所以,若只是單純想利用中空設計來做到隔音效果,
若沒有經過仔細的計算,反而更有可能造成共振,而達到反效果呢!!!@@"

但是,在牆中設計中空的區域,對於隔音工程又並非是完全不可行的方法!
因為上面網頁裡也有提到:
『要更好地提高房間的隔音特性,就是在房間中再造一個房間,即所謂「室中室」的結構。』
但要做到這一點,就屬於相當複雜的設計工程囉!


話說回來,固體雖然對於音波是較快的介質
但是混泥土牆,似乎對音波而言,並非良導體...
因為厚一點的牆壁,很明顯地,可以較有效地阻隔聲音哩!
當然,「蓋厚一點的牆」這方法在隔音設計上,可以說是既不經濟又不實惠
沒有人想因此而把房間變的很小吧?
而且最近水泥又漲價了,蓋不起囉∼ XP


又想到一個有趣的問題:
若是今天,我們的牆壁不是使用「混泥土牆」,而是『銅牆鐵壁』
(金屬對於音波屬於「良導體」,並且又是「快介質」,這一點從鐵軌聽聲音可以得知)
有沒有可能「金屬實心牆壁」不管建的再厚,都無法有效阻隔室外的聲音呢?
因為聲音可以輕易地通過很厚的金屬層???@@"


7:黃福坤(研究所)張貼:2008-06-05 01:52:20:地點 台灣台北 [回應上一篇]
從空氣到水 因為全反射 所以聲音入射角度必須足夠小 才會傳入水中
當然從水中到空氣中 不會全反射 可是折射角度就相對大很多,
水中一個小角度範圍 到空氣中會變成相對大很多的散開角度,
則從能量守恆 可知道相對強度自然變小了(總功率相同)

另外 波只要是從一個介質到另一個介質介面上必然會產生反射,且兩者波速(或折射率)相差愈多,則反射量愈大.

以電磁波而言,從邊界連續條件可推得
垂直入射時若兩折射率分別是n1,n2 反射波強度= (n1-n2)2/(n1+n2)2
因此光從 空氣進入玻璃(或反之)垂直入射時 反射光僅有 (4/3-1)2/(4/3+1)2=(1/5)2=4%
可是若兩折射率比是 1: 5 則反射光強度將是 (5-1)2/(5+1)2=(4/6)2=4/9
我沒有實際推導過 聲音從某一介面到另一介面的反射強度關係,
但是可推論其強度 也會有類似關係.
或者說 折射率相差愈多,反射波愈強  這是一般波的通則(畢竟兩者相同時,也就是同介質時, 根本不會有反射波)
從以上兩者 故推論 聲音從水中折射到空氣中 會因為分散與大量反射而很弱

至於 實心磚比空心磚好 ,其條件是 空心磚不夠厚(厚度太薄 且遠小於聲音波長)
且磚塊原本就是很疏的材料
若是實心固定的金屬 中間有空氣 我相信隔音效果絕對比 整個都是實心的效果好很多!(且會相差很多) 這也是很多家庭 若裝上雙層厚玻璃 隔音效果就好很多 (隔熱效果也是一樣)
以上金屬牆可以有效隔絕空氣中聲音,但是敲擊牆壁則無效, 此時需要兩層隔絕的空氣層 就會好很多!
同樣道理可用在 隔絕磁場等!




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