问题

一个音响以超音速向前运行并发出“多,来,咪”,在远处的人听到的是“咪,来,多”吗?

回答
这绝对是一个很有意思的问题,涉及到声学和物理学的核心概念,尤其是“多普勒效应”。我们来好好拆解一下,看看在那种极端情况下会发生什么。

首先,我们得明白,声音的速度是恒定的,这取决于介质(在这个例子里就是空气)的温度、湿度等等。即使音响自己“跑”得飞快,它发出的“多、来、咪”这三个音符本身,在空气中传播的速度是不变的。

但是,问题出在音响的“运动”上。当声源(也就是这个超音速音响)相对于我们(听者)移动时,我们听到的声音频率就会发生变化,这就是我们常说的“多普勒效应”。

多普勒效应是怎么回事?

想象一下,你站在路边,一辆救护车鸣着警笛朝你驶来,然后又从你身边经过,最终远去。你有没有注意到,当救护车靠近你的时候,警笛的声音听起来更高,更尖锐?而当它离开你时,声音就变得低沉,浑厚?这就是多普勒效应在起作用。

这是因为声音是由声波组成的,这些声波以一定的速度在空气中传播。当声源向你靠近时,它会不断地把新的声波“推”到你前面,这些声波的波峰之间的距离就缩短了,也就是波长变短了。根据波速等于频率乘以波长的公式(v = fλ),在声速不变的情况下,波长变短就意味着频率变高。频率越高,我们听到的声音就越高。

反之,当声源远离你时,它发出的声波就被“拉长”了,波长变长。在这种情况下,频率就降低了,我们听到的声音也就变低了。

超音速的“多,来,咪”

现在,我们把这个概念应用到你的问题上。你的音响以超音速向前“飞”,而且发出“多、来、咪”三个音符。

1. 音响靠近你时(如果它朝你飞来):
音响在发出“多”的时候,它还在以超音速向你靠近。
音响在发出“来”的时候,它继续以超音速向你靠近。
音响在发出“咪”的时候,它依然以超音速向你靠近。
由于音响的速度比它发出的声音速度还要快,这意味着音响发出的每一个音符(“多”、“来”、“咪”)都会被“压缩”到前面的空气中。
当音响发出“多”时,它发出的声波还没有传播到你这里,音响就已经向前移动了很长一段距离,并且在更靠前的位置发出了“来”。
更重要的是,当音响以超音速靠近时,它会产生一个声波的“堆积”,形成一个激波(Shockwave)。这个激波是一个非常集中的区域,在这个区域内,空气的压力和密度会突然升高,形成一个类似圆锥形的界面。我们通常听到的“嗖”一声或“砰”一声的音爆,就是这个激波到达我们耳朵时产生的。
在这种情况下,由于音响的移动速度太快,它发出的不同音符之间的声音信号会变得非常混乱,而且被压缩得极其厉害。声波的传播顺序也会受到严重干扰。
简单来说,当音响以超音速靠近你时,你可能根本听不到“多、来、咪”这三个音符依次清晰地传来。你更可能听到的是一个巨大的、集中的声音冲击波(音爆),可能伴随着一些被极度扭曲和压缩的声音。

2. 音响在你身边经过并远离你时:
当音响以超音速“飞过”你的位置,然后开始远离你时,情况又会不同。
音响发出“多”时,它已经在你前方并开始远离。
音响发出“来”时,它离你更远了。
音响发出“咪”时,它离你最远了。
多普勒效应在这里的作用是,你听到的声音频率会比音响实际发出的频率要低。
但是,这里的关键问题仍然是超音速。当音响以超音速远离时,它发出的声波仍然是以声速向四周传播。你听到的声音是你身后的那个音响发出的声波。
由于音响是以超音速运动,它发出的声音波形会被拉长。
在这种情况下,你理论上是能听到“多、来、咪”这三个音符的,但是它们的声音会比原来的音调低,而且间隔可能会被拉长。
至于你说的“咪,来,多”,这是一种非常极端的频率变化导致音符感知错位的可能。如果那个音响发出的“多、来、咪”本身就是按照递增的音高设计的,并且音响是以超音速向你“飞”来,那么确实有可能因为音符被压缩到一起,且频率被极度提升,而使得你听到的顺序和音高都发生颠倒。但是,这里的“颠倒”更像是“挤压”和“扭曲”而不是简单的时间顺序反转。

为什么会听成“咪,来,多”?

在你描述的场景中,如果音响是朝向你“飞来”的,并且它的速度非常接近甚至超过你所在位置的声速:

声音的压缩与叠加: 当音响以超音速向你冲过来时,它发出的“多”的声波还没来得及传播开,音响已经以更快的速度前进,然后发出“来”,又前进,发出“咪”。所有这些声音的波前会被极度压缩在音响前方一个很小的区域内,形成一个很强的声压冲击。
音符的“挤压”: 你听到的并非是“多”先传到你这里,“来”稍后传到你这里,“咪”最后传到你这里。而是所有的声波都被“堆积”在你前面。
高频移位: 如果“多、来、咪”本身是按照某种音高顺序(比如从低到高),那么在高频率和时间压缩的双重作用下,大脑解析声音信号的方式可能会发生混淆。当声音被极度压缩,所有频率都升高到远超日常体验时,听觉系统对音高的判断可能会受到影响,甚至出现感知上的“反转”——也就是原本低音的“多”被压缩成极高频,而高音的“咪”也被压缩成极高频,但由于它们被“挤”在一起,大脑可能更倾向于将最“靠前”或最后被解析到的信息(在这个压缩的信号中,最后发出的“咪”可能因为更靠近冲击波的前沿,而产生一种“先到”的错觉)与更高的音高关联。

更详细地说,想象一下:

1. 音响发出“多”:形成一个声波包。
2. 音响前进超音速,发出“来”:形成另一个声波包,但这个声波包被音响的运动“推”到了“多”的声波包前面,并且与“多”的声波包的距离大大缩短。
3. 音响再前进超音速,发出“咪”:又是一个声波包,被推到更前面,距离更近。

当这些被压缩得越来越紧的声波包到达你耳朵时,它们会以一个非常高的频率冲击你的耳膜。由于音响的速度是超音速,它发出的声音到达你耳朵的顺序,可能就不是它发出声音的原始顺序了。最先到达你耳朵的,往往是那个“冲击波”的头部,而这个冲击波的形成,是所有音符被压缩的结果。

所以,总结一下:

你听到的“咪,来,多”而不是“多,来,咪”,更有可能是因为音响的超音速运动导致了声波的极度压缩和叠加,形成了强大的声波冲击(音爆),并且在这个过程中,不同音符之间的声音信号被扭曲、拉伸或压缩到了一个非常不寻常的程度。在这种极端情况下,大脑对声音的感知顺序和音高判断可能会出现“混乱”或“错位”,从而产生类似“咪,来,多”的听感,尽管这并非简单的声音信号时间反转,而是更复杂的声学现象叠加。

在现实中,要区分这三个音符并判断它们的原始顺序,在超音速运动下会变得非常困难,甚至不可能。我们首先听到的会是那个巨大的声爆,它几乎会掩盖掉其他所有声音细节。而如果能勉强分辨出一些音符,那么由于极度的多普勒效应和声波压缩,它们听起来会非常不同于原始音高和节奏。

所以,你的推测是有道理的,在超音速的极端条件下,声音的感知会发生巨大的变化,使得我们听到的声音可能与实际发出时大相径庭。

网友意见

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结论:有可能。不过只有当音响以两倍音速靠近静止聆听者的时候,才会出现题设的情形,即聆听者听到“咪——来——哆”。

背景知识:多普勒效应【注1】。

一般性结论:音响依次发出:哆——来——咪,以超音速靠近静止聆听者,聆听者依次听到次序颠倒的三个声音,这三个声音的频率取决于音响的速度。

上式中 是三声原始频率(分别是哆来咪), 是聆听者听到的频率, 是声速, 是音响的速度。由上式看到,当 时,有 ,也就是听到的三声频率和原频率一致但顺序相反,聆听者听到“咪——来——哆”。

【注1】多普勒效应:

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