声音是如何传到我们耳朵里的| 科到了

作者：王路通 | 中国科学院大学 培养单位：中国科学院物理研究所 审核：吴凡 特聘研究员 | 中国科学院物理研究所

在日常生活中，我们被各种各样的声音包围着，欢声笑语、汽车轰鸣、鸟儿啼鸣…… 但你是否想过，这些声音是如何传到我们耳朵里的呢？这背后的“功臣”就是声波。声波就像是声音的“快递员”，负责将声音从发声源传递到我们的听觉系统。当提到声波时，你可能会想到这样的东西[1]：

图1 横波示意图[1]

然而，这并非声波的真实运作方式。图中所示的这种波属于横波，从图片中不难看出，若只观察其中一个质点，这个质点不随波迁移，而只在自己的平衡位置附近上下振动，这种粒子的振动方向与传播方向垂直的波被称为横波。而声波在常见介质（比如空气）中传播时，其粒子振动方向与传播方向一致，通过介质的压缩和舒张来传递能量，在纵波中，粒子位移平行于波传播的方向，就像这样：

图2 纵波示意图(图片源于网络)

从本质上讲，声波是一种机械波，它的产生源于物体的振动。当物体振动时，会带动周围的介质也跟着振动起来。比如，敲鼓时，鼓面的振动会使周围空气分子产生疏密变化，这种疏密变化以波的形式向四周传播，这就是声波。在空气中，声波表现为空气分子的压缩和舒张交替进行[2]：

图3 空气中声波传播示意图[2]

看到这里你会不会好奇，我怎么记得之前物理课学的音叉的波形是这样的，这不是横波吗？

图4音叉声波图示(图片源于网络)

其实，声音是一种压力波。这种压力波会让空气中的每一处，要么处于高于正常气压的状态，要么处于低于正常气压的状态。所以，当你看到类似蛇形的声波图示时，它代表的是压力的测量值，并非粒子实际的运动轨迹：

图5纵波示意图与纵波声压变化波形图[1]

声波的传播需要介质，这也是为什么在真空中声音无法传播，因为真空中几乎没有物质可以充当声波传播的载体。不同介质对声波的传播速度有很大影响，一般来说，固体中声波传播速度最快，液体次之，气体最慢。例如，在常温空气中，声速大约是340m/s，而在钢铁中，声速能达到5000m/s。这是因为气体分子间距离大且相互作用力微弱。这意味着当一个气体分子因声源振动而开始运动时，它需要移动较长距离才能与下一个分子发生碰撞并传递振动，这就导致振动传递的速度相对较慢，因此声音在气体中传播速度最慢；液体分子间距离比气体小，相互作用力更强。分子排列更为紧密，当一个分子振动时，能更迅速地带动相邻分子振动，减少了振动传递过程中的延迟，所以声音在液体中的传播速度比在气体中快。固体中，原子或分子通过强大的化学键或分子间作用力紧密结合在一起。这种紧密的结构使得一个原子或分子的振动能几乎瞬间传递给相邻的粒子，因为它们之间的距离极短且相互作用很强。

图6声音通过空气传播示意图[3]

所以你现在知道声音是如何传到我们耳朵里的了吗？当扬声器工作时，其前方的空气率先产生震荡，这种震荡如同水波般层层向前扩散，带动更前方的空气也随之震荡起来。震荡持续传递，直至抵达你的耳朵，使得耳膜周边的空气也开始来回震荡。这些靠近耳朵震荡着的空气，在不断移动的过程中携带动能，从而将能量传递至耳膜。耳膜获得这股动能后，便开始振动。与耳膜紧密相连的听小骨，包括锤骨、砧骨和镫骨，也被耳膜的振动带动。锤骨首先发挥作用，将耳膜那微小的振动进行放大，随后依次传递给砧骨和镫骨。最后，镫骨发力撞击内耳的卵圆窗，就这样，声音所蕴含的能量成功传入内耳。那么，一个有趣又令人困惑的现象便有了探讨的基础——为什么你听到的自己的声音和录音里的自己的声音截然不同呢？

当我们跟别人说话的时候，实际上自己听到了两个声音，来自两种不同的传输介质，声波经过我们的口腔传输到空气中，再到达耳膜。与此同时，我们还听到了通过自身的血肉、骨骼、头骨等介质到达耳膜的声。骨传导对低频声音传导效果更好，使得我们主观听到的自己的声音低频成分丰富，音色饱满、低沉。

图7声音通过骨骼血肉传播示意图[3]

但在录音时只有一个传播介质，那就是空气。回放录音时，因缺失骨传导带来的低频信息，原本饱满的声音变得单薄，高频成分相对突出，声音整体显得尖锐、清脆。不过当你播放录下来的自己的声音时，实际上和别人听到的你的声音是一样的。所以坏消息是录音里的声音，就是别人耳中你的声音，但好消息是别人并不会觉得很奇怪，因为这是他们听过的唯一属于你的声音。

参考文献：

[1]https://resource.isvr.soton.ac.uk/spcg/tutorial/tutorial/Tutorial_files/Web-basics-nature.htm

[2]https://www.acs.psu.edu/drussell/Demos/waves/wavemotion.html

[3] https://www.bilibili.com/video/BV1T7411M7Rr

编辑：紫竹小筑