摘 要：本文從一道初中物理題出發(fā)，研究了影響聲速的因素，并從微觀分子角度解釋了聲速與不同狀態(tài)物質(zhì)之間的關(guān)系；利用聲速公式分析了聲速與溫度之間的定量關(guān)系；通過音素音標(biāo)解釋了倒放聲音的原理。

關(guān)鍵詞：聲速；聲速公式；音素；倒放音頻

1 問題由來

教師在蘇科版物理八年級上冊的教學(xué)中經(jīng)常會遇到類似于下面這樣的題目。

例題 請你想象一下，如果聲音在空氣中傳播的速度變?yōu)?.1m/s，小華看到小李正在前方不遠(yuǎn)處等他，于是一邊奔跑，一邊對著小李大聲喊道：“我來也?！贝藭r發(fā)生的情況是（" ）。

A. 和正常時一樣

B. 小華先追上小李，然后小李才聽到“也來我”

C. 小李什么也聽不到

D. 小華先追上小李，然后小李才聽到“我來也”

這個題目的參考答案是B，對此，筆者有兩點疑問：（1）聲速在什么條件下可以變?yōu)?.1m/s？（2）若假定能變?yōu)榇寺曀?，那么“我來也”真的可以轉(zhuǎn)化為“也來我”嗎？

本著實事求是的態(tài)度，筆者對這兩個問題進行了研究。

2 聲速與溫度的關(guān)系

2.1 聲音的傳播方式

聲音的傳播類似于水波和彈簧中的疏密波，當(dāng)

聲音在介

質(zhì)中傳播時，介質(zhì)中的分子在平衡位置附近反復(fù)振動（見圖1），從而在介質(zhì)中形成疏密相間的波動，向遠(yuǎn)處傳播，最后進入人耳被人聽到。［1］

正常均勻介質(zhì)中的分子分布聲波在均勻介質(zhì)中傳播時介質(zhì)中的分子分布

2.2 聲速

聲音在任何介質(zhì)中傳播都是需要時間的，也就是說聲音的傳播是有速度的。［2］聲速主要跟介質(zhì)種類、溫度、壓強等因素有關(guān)。［3］一般情況下，聲音在固體中傳播的速度最快，在液體中次之，在氣體中最慢。例如，通常情況下，聲音在空氣中傳播的速度約為340m/s，在水中傳播的速度約為1500m/s，在鋼鐵中傳播的速度可達5200m/s。這是因為聲音的傳播速度跟介質(zhì)的反抗平衡力有關(guān)，反抗平衡力就是當(dāng)物質(zhì)的某個分子偏離其平衡位置時，其周圍的分子為把它“擠”回到平衡位置上所施加的力。反抗平衡力越大，聲音傳播得就越快。［4］固體分子的反抗平衡力一般大于液體分子，氣體分子的反抗平衡力最小。金剛石分子的反抗平衡力非常大，所以聲音在金剛石中傳播的速度是目前已知的最高聲速，其可以達到18000m/s。

在液體和固體中，聲速受溫度和壓強變化的影響相對較小，因此在同一固體或液體介質(zhì)中，聲速基本上是一個常量。而在氣體中，聲速受壓強和溫度變化的影響相對較大，且溫度越高，聲速越大。這點并不難理解，當(dāng)氣體溫度升高時，氣體分子的平均動能變大，分子運動得更快，這也是夏天聲音傳播得比冬天要快的原因。

該公式表明，空氣溫度越高，聲速越快；反之，空氣溫度越低，聲速越慢；當(dāng)溫度t＝0℃時，空氣中的聲速是332.55m/s。利用上述聲速公式我們可以計算出，要讓聲速為0.1m/s，空氣溫度大約為2.5×10－5K，而目前我國中科院研發(fā)的無液氦稀釋制冷機能夠達到的最低溫度只有0.01K，這個溫度也是目前世界上能夠?qū)崿F(xiàn)的最低溫度。此時根據(jù)公式不難算出，在0.01K的極低溫度下，空氣中聲速最小可達2m/s。第一點疑問得以解答。

3 聲音倒放原理

如果聲音的傳播速度真的能夠變?yōu)?.1m/s，而人行走的速度約為1.4m/s，奔跑的速度約為5m/s，此時聲速小于小華跑向小李的速度，所以一定是小華先追上小李，小李再聽到小華的聲音。當(dāng)小華追上小李時，其發(fā)出的聲音才陸陸續(xù)續(xù)到達小李處。此時，小李在終點處先聽到小華后發(fā)出的聲音，后聽到小華先發(fā)出的聲音，所以原題給出的答案是小李聽到“也來我”。但是仔細(xì)分析一下，可知這些聲音并不是以字為單位傳播的，而是以一個個音素（語音的最小單位）為單位傳到終點（小李處）的（見圖2）.

圖2是小華剛到達終點時，其發(fā)出聲音的音素與音素所對應(yīng)的國際音標(biāo)所在位置的示意圖。在終點的兩人陸續(xù)聽到的聲音是“［e］、［j］、［i］、［ɑ］、［l］、［o］、［w］”?？紤]到聽到的音調(diào)也會發(fā)生變化（二四音調(diào)互換、一三音調(diào)不變），此時聽到的聲音應(yīng)是“［ě］、［j］、［i］、［ɑ］、［l］、［ǒ］、［w］”。將音素組合成類似漢字發(fā)音的音節(jié)，［ě］音似“誒”，“［j］、［i］、［à］”音似“亞”，“［l］、［ǒ］、［w］”音似“摟”，因此小華和小李最終聽到的聲音類似“誒、亞、摟”。

這個結(jié)論需要通過實驗來驗證。然而，在現(xiàn)實生活中，我們想通過超聲速奔跑來聽到這樣的聲音是不可能的。那么，我們該怎么做呢？其實小華他們在終點聽到的聲音相當(dāng)于將小華發(fā)出的原聲進行了倒放?，F(xiàn)在的很多軟件都有音、視頻倒放的功能，我們可以通過這些軟件來感受下倒放帶來的樂趣。

理解了倒放的原理后，我們就可以在不借助軟件的條件下，推斷出各種原聲的倒放音頻效果。例如，將原聲“我喜歡物理”進行倒放，我們將會聽到什么呢？首先我們拆解這句話的每一個音素音標(biāo)并加上音調(diào)，“我喜歡物理”的音素是“［w］、［ǒ］、［］、［ǐ］、［h］、［u］、［?。?、［n］、［wù］、［l］、［ǐ］”，將其倒放并將音素組合成類似漢字發(fā)音的音節(jié)，則有音［ǐ］似“倚”，音 “［l］、［wú］”似“盧”，音“［n］、［?。荨彼啤澳恰保簟埃踰］、［h］、［ǐ］”似“為”，音“［］、［ǒ］、［w］”似“首”，合在一起聽起來有點像“一路難回首”，真的是其樂無窮。

4 結(jié)論

筆者從一道物理題中產(chǎn)生的兩點疑惑出發(fā)，本著實事求是的態(tài)度，研究了影響聲速的因素，從微觀分子振動角度闡述了聲音如何在不同介質(zhì)中傳播；從分子反抗平衡力的角度解釋了聲速與不同狀態(tài)物質(zhì)之間的關(guān)系；利用修正后的牛頓聲速公式分析了低溫狀態(tài)下聲速與溫度之間的定量關(guān)系；通過音素音標(biāo)解釋了倒放聲音的原理。

隨著科技的不斷發(fā)展和進步，各類人工智能產(chǎn)品逐漸進入我們的家庭，影響著我們的生活。語音識別作為人工智能的重要組成部分，其實現(xiàn)過程實際上是先將聲音分解成更小的幀，提取出MFCC（梅爾頻率倒譜系數(shù)）特征，然后通過計算機中的聲學(xué)模型將這些語音特征對應(yīng)到音素，進而組合成單詞，最終形成句子。教師可以通過文中的示例，幫助學(xué)生更好地理解語音識別的基本原理。同時，在編制題目時，出題者應(yīng)保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，在確保題目具有趣味性的同時，避免出現(xiàn)科學(xué)性錯誤。

參考文獻

［1］張蓓.為促進初中生聲學(xué)概念轉(zhuǎn)變的探究教學(xué)設(shè)計研究［D］.桂林：廣西師范大學(xué)，2011：19-20.

［2］顧維.利用錄音軟件設(shè)計聲音傳播速度的創(chuàng)新探究活動［J］.中學(xué)物理，2021，39（16）：38-39.

［3］康順.結(jié)合Arduino開源電子平臺探究聲速與溫度之間的關(guān)系［J］.物理通報，2021（7）：124-127.

［4］易欣欣.嘿，聽到我的咆哮了嗎［J］.發(fā)明與創(chuàng)新（中學(xué)生），2021（4）：11.

［5］曾鐵.法國物理學(xué)家S.D.泊松傳記［J］.物理教師，2009，30（7）：49-52.