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to silin007：
观察者耳朵就能直接测量到取决于"观察者在介质中运动的速度"的声速？ 请教：怎样测量？ |
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to silin007：
观察者耳朵就能直接测量到取决于"观察者在介质中运动的速度"的声速？ 请教：怎样测量？ |
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先确定在声源与介质及观察者都静止时的声频（f），
再确定观察者以速度（V）向着或背着声源做直线运动的声频（f'）， 最后观察者听到声传播的速度是声速（U）加减观察者的运动速度（V）的取决于观察者运动速度的声速（U'）！ ※※※※※※ 即别轻信人说的，也别坚信己学的，更别迷信书写的；只信亲眼能见的，而且亲手能算的，关键亲身能验的；科学事实 |
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to silin007:
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to yanghx: 我认为你的实验装置过于简陋，就象你让两个大小和形状一样的两个球（实心铁球和充气皮球）同时同速从楼上自由落下，实心铁球先落地，充气皮球后落地一样． |
| 光多普勒效应公式f'=f*sqrt((C+V)/(C-V)=f(C+V)/(C*sqrt(1-VV/CC)=fC*sqrt(1-VV/CC)/(C-V)，若V>>C，则光多普勒效应公式可简化为f'=f(C+V)/C或f'=fC/(C-V)，与声多普勒效应公式相同。为什么我们不能反向思维呢？ |
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在固体表面形成一个很薄的包裹层——边界层。边界层内的流体不流动，边界层外的流体自然流动，两部分流体的流速有梯度变化。所以我认为当声波传播到边界层内后，相对于物体的声速只取决于边界层内流体的物理属性，而与边界层外流体的流速无关。
------------------- SHEN Re: 我们讨论的当然应该是远离边界的自然流动. 至于靠近边界的流体,那么就要研究声波场方程了,这是一个边界问题,我们暂不考虑.就像光速不变,我们考虑的也是自由传播问题,不会是去谈有边界的古斯-汉森位移,倏失波之类导致光速修正的问题. |
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利用反射法测量声速，只能在测速装置和反射物体保持相对静止条件下进行。否则我们只能准确知道声波从发射到接收的时间间隔，不能准确知道声波在测速装置和反射物体之间的空气中的真实传播距离，根据v＝L/t，其中v是未知数，L也是未知数。以你所举例子来讨论：当波信号从火车发射时，火车与墙壁之间距离为L1，当波信号到达墙壁并反射时，火车与墙壁之间距离为L2，当波信号被火车接收时，火车与墙壁之间距离为L3，那么L应该与L1、L2、L3中的哪个等价呢？
[[[[[[[[[SHEN RE: 反射法测量声速,这是一个小学生的数学应用题,条件完备,完全可以求解.郭先生不必担心. 我浪费一些时间,告诉你这个小学三年级的题目如何计算: 设声波固有声速为C(就是在相对地面静止的参考系测量的固有声速,只与空气特性有关), 火车相对地面的速度是V, 朝墙壁驶去. 下面,让火车发射声波,一切以火车为参考系做计算,设声速为x(待求);以火车为参照,墙壁朝火车运动过来,速度为V. 这样,发射的声波与墙壁相向运动,声波到达墙壁的时间为T, 则 xT+VT=L1, 就是T=L1/(x+V). (1) 在时间T之内,墙壁靠拢火车距离为VT, 所以墙壁接收到声波的时候,墙壁与火车距离为 L2=L1-VT. (2) 代(1)入(2), 得到 x=VL2/(L1-L2). (3) 这不求出来了吗? 由于L1, L2, V原则已知(这些数据实验上可以知道,不成问题),所以声速x可求. 以上是我的第一个法宝,以火车为参考系. 我下面以墙壁为参考系,愿意传授给你第二个法宝: (3)可以写为: x=V/(L1/L2-1) (4) 所以,如果知道L1/L2,我们可以进一步化简x. 以墙壁为参考系,声波有固有速度C. 声波到达墙壁的时间是L1/C. 在时间L1/C之内,火车运动了VL1/C, 那么 L2=L1-VL1/C, 得到 L2=L1(1-V/C), 所以L1/L2=1/(1-V/C). 代入(4),得到 x=C-V. (注意,不要算错,这里计算要小心,一不小心就要代错) 这就得到了运动参考系与静止参考系之间的声速关系x=C-V. ]]]]]]]]]]]]]] 而根据"声速＝频率×波长"关系式，又根本测不出你所说的那种"声速"。 [[[[[[[[[SHEN RE: 既然郭先生提到了"声速＝频率×波长"关系式,那么我告诉你我的第三个法宝:利用声波的波动解与Galileo变换来得到x=C-V: 我们知道,波动解是exp[-i(w't'-k'x')], 其中指数部分w't'-k'x'中, w'是地面参考系中的声波角频率, k'是地面参考系中的声波波矢, x'是地面参考系的坐标. 那么根据"声波速=角频率/波矢",我们就有w'/k'=C. 注意,我的"声波速=频率/波矢"等价于郭先生的"声速＝频率×波长". 下面来看火车参考系,设火车参考系的坐标为x, 那么根据Galileo变换, x=x'-Vt', t=t', 代x'=x+Vt代入指数部分w't'-k'x',我们得到 w't'-k'x'=w't-k'(x+Vt), 右边还可以化为: (w'-k'V)t-k'x. 这就是火车看到的声波振幅的指数部分. 由此我们可以看出, 在运动参考系看来, 声波的波矢k'不变,那么波长也就不变(波长=2*pi/k', pi为圆周率),但频率发生了变化,火车观察者看到的频率是w'-k'V. 这就是Doppler效应. 根据"声波速=频率/波矢", 我们得到火车看到的声速x=(w'-k'V)/k'=C-V. 所以,我从新的角度,也就是你要的"声速＝频率×波长"角度,又得到了火车看到的声速x=C-V. 以上三宝, 我并不轻易示人,今日破例!! ]]]]]]]]]] |
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请郭先生耐心细致地核对本人以上计算,不枉我一番敲公式地苦功.
且,你一旦看明白以上推导,你的人生观会发生微妙变化. |
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破解沈博士的第一个法宝： 火车向墙壁运动，空气是否也向墙壁运动？若空气与墙壁保持静止，则按照经典理论，以火车为参照系，火车发出的声波的声速相对于火车应为x-V，（其中的x就是你所谓的未知固定声速C），即当某声波信号经过时间T从火车传播到墙壁时，墙壁相对于火车的位移为VT，火车与墙壁的距离为L2，设火车发射该声波信号时与墙壁的距离为L1，故有L1=(x-V)T+VT=xT，L1-L2=VT，得x=L2/T+V，即从火车看到的声速为x-V=L2/T。而且这将意味着空气相对于火车是完全运动的，是从火车内直接“穿透”过去的，我无法理解的问题是：在这种情形下，火车上的声源是如何振动并将声波信号发射到空气中的？ 破解沈博士的第二个法宝： 以墙壁为参照系，按经典理论，声波信号从火车发射到到达墙壁的时间为T，发射声波信号时，火车与墙壁的距离为L1，声波信号达到墙壁时，火车与墙壁的距离为L2，设空气相对于墙壁静止，声速相对于墙壁为C，火车相对于墙壁的运动速度为V，有L2=L1-VT=CT-VT，将x=L2/T+V代入，得x=C。 破解沈博士的第三个法宝： 对于用偏微分方法表示的一维平面波波动方程，以墙壁为参照系和以火车为参照系应该各如何表示？为什么可以允许其在相互做匀速直线运动的两个参照系中不服从相对性原理？若是相对于外界空气分别以V1和V2相互做匀速直线运动的火车呢？难道空气（介质）是特殊参照系吗？难道空气中的声速既可以等于sqrt(γp/ρ)，也可以等于sqrt(γp/ρ)-V吗？这才是我们争论问题中最为关键的问题！！！！ 还望沈博士能不吝赐教。 |
| 请沈博士对我的以上发言认真琢磨为盼，我相信若你我真诚合作，你的才华＋我的创新，很可能做出一个伟大的科学贡献，你我的人生也都将发生奇迹般的巨大变化。 |
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在火车参考系看来,空气当然运动.但这里空气并非我们研究的对象.
事实上,声速之所以为C-V,乃是包含了空气的运动所致. 所以,尽管空气并非这个小学应用题的直接研究对象,但其运动效应已经包含在声速中了. 关于你说的"这将意味着空气相对于火车是完全运动的，是从火车内直接“穿透”过去的，我不理解的是，在这种情形下，火车时如何发射声波信号的", 我的回答如下: 我们有一个前提, 在这个实验中,火车是完全开放的(干脆,把火车改为拖拉机吧,意思是'完全开放'), 所以,的确如你所说,空气相对于火车(拖拉机)是完全运动,完全开放,完全透明的. 至于你问的"在这种情形下，火车时如何发射声波信号的",这就不是这道应用题的核心了. 这样的应用题你难道在小学没有遇到过,难道广大老师的题目出错了? 火车上的喇叭为什么不能发射信号? 当然能发射信号.喇叭鼓膜敲击空气,声波能量传入空气以后就在声波中传播. 但我知道你要问什么.你是担心: 喇叭鼓膜敲击空气的时候,无法保证"空气相对于火车完全运动",从而与我的计算(包括你的40楼推理)矛盾.这个担忧有一点道理,但并不难解决. 如果让火车喇叭发射声波,在发射一刹那会有边界层问题(你上面提到过).但一旦离开边界层,那么这个担心就不必了.事实上,我们研究的是运动学,不是动力学. 我们只要关心声波离开喇叭鼓膜之后的事情就可以了. 声波刚发射一刹那,是一个复杂的过程,那时的声波也不是单频率波,且声波波长有一定的长度,有时会比喇叭鼓膜大,这个一刹那过程是复杂的动力学过程,当然不会简单满足C-V的速度关系(由于发射一刹那,不是单频率波,甚至连波速的定义都不可能),无论是Doppler效应也好,声速公式也好,自然不能与自然(自由)传播过程相提并论,公式与结论都是另一套. 所以,我认为,你的问题提得不恰当. 发射有发射的机制,公式与结论,发射有发射的Doppler公式,你不能因为发射时的结论与机制不满足C-V,就任意推广说自然(自由)传播过程也不满足C-V. 你的逻辑过程有问题. 你如果一定有这个担心,那么我们可以把命题稍微改动一下: 声波是由第三方(如地面喇叭)发出的, 且与火车同向传播,火车上的观察者只是起一个观察接受作用(避免在发射一刹那造成的"空气无法完全运动"),这样就可以避免你的担心. 这样一来,我的以上计算思路仍旧成立,但其中的结论C-V应该变为C+V了. |
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42楼是针对第一个"法宝"的. 这里,郭先生的思维有问题. 发射一刹那,的确会不满足C-V(因为是一个复杂机制问题,声波也不是简单的平面波,此时声速本来就难以定义,尤其是当声波波长又大于源的时候), 但你不能因为这个想不通而导致自由传播过程也想不通.
关于第二个法宝,我先要交代一下这个x是什么. 我似乎感觉到郭说的x不是我的x, 可是郭却说"x就是你所谓的未知固定声速C". 这句话让我挺纳闷. 他说"x就是你所谓的...", 可是我所谓的x不是固有声速C啊. 我的x是运动火车上观察到的声速啊(是可变的,因此不是固有的,当然也不固定). "未知固定声速C"也矛盾.既然是固定了,那么原则上是已知的,怎么会是未知的呢? 所以,郭'破解第一个法宝'的推导我本以为看明白了,但看到他'破解第二个法宝'时,我又糊涂了.但总之,他的"这将意味着空气相对于火车是完全运动的"我是明白的. 并做了反破解. 我再交代一下,把术语先定下来,不要各说各的定义: 我的x是运动火车上观察到的声速,是可变的.我的计算表明, x=C-V. 固有声速C是地面参考系观察到的声速C,就是C=sqrt(γp/ρ). |
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如果让郭的x等于固有声速C (C=sqrt(γp/ρ)), 此时郭的x不是本人的x.
那么郭的"破解第一法宝"与"破解第二法宝"的数学推导都成立,我也同意其推导,但与我的推导没有矛盾. 注意: 郭的x不是本人的x. 由此看来,这道小学应用题,郭是会做的. 你我都会做,都正确地计算了. 但你谈不上破解了我. |
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破解沈博士的第三个法宝：
对于用偏微分方法表示的一维平面波波动方程，以墙壁为参照系和以火车为参照系应该各如何表示？ [[[[[[[[[SHEN RE: 波动方程的数学结构是一样的. 我只谈它的解吧,更方便: 以墙壁为参照系,波动解是exp[-i(w't'-k'x')], 以火车为参照系,波动解是exp[-i(wt-kx)], 且相位w't'-k'x'具有Galileo变换不变性, 也就是说,在Galileo变换下,w't'-k'x'不变,有 w't'-k'x'=wt-kx. 从这个式子,我们可以推导出声速的变换C-V与Doppler效应. 注意: w't'-k'x'=wt-kx只在自由传播的时候成立. 对于发射一刹那,相位不是w't'-k'x',很复杂, 有新的复杂的声速变换与Doppler效应. 这是对"第一法宝"的补充说明. ]]]]]]]] 为什么可以允许其在相互做匀速直线运动的两个参照系中不服从相对性原理？ 若是相对于外界空气分别以V1和V2相互做匀速直线运动的火车呢？ [[[[[[[[[SHEN RE: 上面的答复其实就回答了声波满足相对性原理,只不过满足的是Galileo相对性原理. ]]]]]]]]] 难道空气（介质）是特殊参照系吗？难道空气中的声速既可以等于sqrt(γp/ρ)，也可以等于sqrt(γp/ρ)-V吗？这才是我们争论问题中最为关键的问题！！！！ [[[[[[[[[SHEN RE: 是的,空气中的声速既可以等于sqrt(γp/ρ)，也可以等于sqrt(γp/ρ)-V, 前提是要看观察者是谁. 从空气介质具有固有声速sqrt(γp/ρ)这一点看,空气（介质）的确是特殊参照系. 但这是表面现象. 从上面的相位不变性w't'-k'x'=wt-kx看,空气作为一个参考系,倒并不特殊. 结论: 对于动力学而言,空气有点特殊; 对于运动学而言,空气不特殊. 所以,你三个破解都没有成功. ]]]]]]]]]] |
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对不起，沈博士，我定义的x与你定义的x确实概念不同。当然，我们在这个问题上的结论还是一致的。 我承认，由于定义不同，我无法破解你的第一个和第二个法宝。我的发言反而成为异路同归的版聊。 其实，我想研究的问题恰恰就是你所提到的声波在边界层内传播“复杂过程”，但是我没有找到适用数学方法。 |
| 如果声速既可以等于sqrt(γp/ρ)，也可以等于sqrt(γp/ρ)-V，那么光速是否同样既可以等于1/sqrt(εμ)，也可以等于1/sqrt(εμ)-V呢？波动方程对声波和光波本来是通用的啊！ |
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自多普勒于1842年预言声和光存在多普勒现象并给出频率变换公式f'=f(C+V)/C和f'=fC/(C-V)起至爱因斯坦于1905年给出光多普勒效应频率变换公式(1-cosA*V/C)/sqrt(1-VV/CC)再至爱佛斯和斯蒂威尔实验证明爱因斯坦公式正确以前，任何关于光多普勒效应的实验都未能证明f'=f(C+V)/C和f'=fC/(C-V)存在错误。
我认为，如果光是依赖以太传播的波，也必然有那个“复杂过程”，只是被光速不变原理一言而蔽之了。 |
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对【46楼】说： 其实，我想研究的问题恰恰就是你所提到的声波在边界层内传播"复杂过程"，但是我没有找到适用数学方法。 ------------------ SHEN RE: 目前高教出版社出版了几部声学与高等声学教材,写得十分好,里面有很多涉及边界的求解问题. |
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如果声速既可以等于sqrt(γp/ρ)，也可以等于sqrt(γp/ρ)-V，那么光速是否同样既可以等于1/sqrt(εμ)，也可以等于1/sqrt(εμ)-V呢？波动方程对声波和光波本来是通用的啊！
------------- SHEN RE: 如果站在Galileo变换的角度看,你的以上话安全正确. 所以,关键问题在于你是站在什么变换的角度看. 如果站在Lorentz变换看, 那么变换就是(A-V)/(1-AV/CC), 这个公式对声波和光波也都是通用的. 对于光波, A=1/sqrt(εμ)， 对于声波, A=sqrt(γp/ρ). |
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自多普勒于1842年预言声和光存在多普勒现象并给出频率变换公式f'=f(C+V)/C和f'=fC/(C-V)起至爱因斯坦于1905年给出光多普勒效应频率变换公式(1-cosA*V/C)/sqrt(1-VV/CC)再至爱佛斯和斯蒂威尔实验证明爱因斯坦公式正确以前，任何关于光多普勒效应的实验都未能证明f'=f(C+V)/C和f'=fC/(C-V)存在错误。
我认为，如果光是依赖以太传播的波，也必然有那个“复杂过程”，只是被光速不变原理一言而蔽之了。 ---------------- SHEN RE: 爱因斯坦公式(1-cosA*V/C)/sqrt(1-VV/CC)与老公式f'=f(C+V)/C和f'=fC/(C-V)相比, 只是多了一个VV/CC的二级修正. 这个二级修正十分小,在通常实验中是测不出来的(只有在高速运动的原子与离子中才可以测量到,这是20世纪的事情). 所以,你说的以前没有发现光多普勒效应的实验都未能证明f'=f(C+V)/C和f'=fC/(C-V)存在错误,是因为这个二级修正太小的缘故,不是"被光速不变原理一言而蔽之". 以太即使存在,只要传播是自由与自然的(不含发射与吸收过程),那么肯定有简单理论,不会过于复杂的. |
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to 沈博士 因为在相位不变性w't'-k'x'=wt-kx中，等式左边各项均带“ ' ”，所以它犹如“5厘米/秒-1厘米/秒=30分米/秒-6分米/分”一样。你不认为吗？ |
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我特别讨厌爱因斯坦推导出的速度转换公式(A-V)/(1-AV/CC)。 如果A和C都是光速，该公式就是A或C，如果A是声速，C是光速呢？我是不愿意顺这个思路考虑下去了。 针对狭义相对论，不仅有你，也包括我，很易看出其他反相者暴露出的问题；不仅是我，也包括其他反相者，很难辩得过你。但是在声速和声多普勒效应问题上，我还是有资本和信心和你站在同一个平台上辩论个是非究竟的。 |
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沈博士：
我曾在网上看到过你和刘武清的合影照片，也知道我们年龄相仿。如果你已经意识到“声波刚发射一刹那，是一个复杂的过程”，而且你也有兴趣和经历从事这方面的研究和探讨，我相信你会有所作为的。 另，请把你的电子邮箱告诉我。我希望你做为“靠相对论吃饭”的学者，能对我的论文《关于声波在流体媒质中传播的一个启发性观点》提出意见。这篇论文至今尚在审稿过程中。我的电子邮箱：pyssgfj@Yeah.net 稿件编号: P0472 稿件名称: 关于声波在流体媒质中传播的一个启发性观点 第一作者: 郭峰君 来稿机构: 抚顺县农电局 来稿时间: 2008-05-12 稿件状态: 送审 |
| 声波从在流体介质中运动的固体声源产生后经紧贴固体声源表面的粘性流体介质传播再传播到边界层以外的所谓非粘性流体介质的过程是物理学理论研究的空白和盲点。谁若能研究明白，谁就能荣获诺贝尔物理学奖并成为比爱因斯坦更为天才的伟大物理学家。我是力不从心啊！ |
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沈与郭的观点分歧 见仁见智全凭自己
沈：用超音速飞机测量声速就是你要的"观察者在介质中运动的速度"的声速. 飞机超过声速,子弹超过声速,就会出现激波. 郭：如果超音速飞机的飞行速度确实已经它本身发射的声波的传播速度的话，就不会发生冲击波或音障现象了。 沈：你说的"声多普勒原理未被实验严谨验证",纯属于空穴来风. 雷达,水声探测,等等,等等现代技术天天在使用声多普勒效应. 要是它真的不正确,为何还能维持到今天? 为何到今天还没有看到其矛盾? 郭：雷达、水声探测的原理一样，都是利用波（电磁波、超声波）的发射和反射，根据发射频率和接收频率的差异，即多普勒频移来确定被探测对象的速度和距离，且接收频率与发射频率之间的对应关系都是f'＝f（c＋v)/(c-v)。虽然得出的结论一致，也得到事实的确凿证明，但是我们必须清楚，声多普勒效应原理与光多普勒效应原理之间存在本质上的差别。 沈：在Galileo变换下,w't'-k'x'不变,有 w't'-k'x'=wt-kx. 从这个式子,我们可以推导出声速的变换C-V与Doppler效应. 郭：因为在相位不变性w't'-k'x'=wt-kx中，等式左边各项均带“ ' ”，所以它犹如“5厘米/秒-1厘米/秒=30分米/秒-6分米/分”一样。 沈：如果站在Lorentz变换看, 那么变换就是(A-V)/(1-AV/CC), 这个公式对声波和光波也都是通用的. 对于光波, A=1/sqrt(εμ), 对于声波, A=sqrt(γp/ρ). 郭：如果A和C都是光速，该公式就是A或C，如果A是声速，C是光速呢？ |
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对【30楼】说： 声学相对论的初等数学导出 声学相对论就是以声速为参考速度的相对论，以区别以光速为参考速度的相对论. 声学相对论可从下面的声学问题中提出: 某汽船静止,但有风吹向悬崖,风速10m/s,船上发出一声鸣笛,旅客3s后听到前方反射回来的回声,求汽船离悬崖多远?(无风声速为340m/s).顺风时,声速为风速和无风声速之和而反射回来,声速应为无风时声速与风速之差.解此问题的公式如下: (问题摘自北大附中远程教育网-基础知识资源库) S / (c0+V)+S / ( c0 - V) = △t (1) 式中 S - 船与悬崖的巨离（有风时） △t - 回声时间间隔（有风时） c0--无风声速 V - 风速 由式(1).,当V=0时 △t0 = 2S0/c0 (2) 式中 S0 -无风时船与悬崖的巨离 △t0-无风时回声时间间隔 由式(1)得到 S = c0（1-V2/ c02）△t /2 (3) 从式(3)可以看出,S假设是固定的,则时间间隔是变化的,反之假设时间间隔是固定的,则S是变化的.或两者都是变化的.用实验即可判断. 实验之前最好充分讨论,这就是声学相对性讨论. 由式(3)，根据欧几里德定理（相似直角三角形的定理），可得到 c02 - V2 = 2S c0/△t = c0 c* = C 2 (4) 式中 c* = 2S /△t （5） C -有风声速 不妨设AB两点间的距离为2S0,无论有风,无风,都不改变2S0值,即 2 S 0 = c0△t0= c△t (6) 式中 △t -有风时间间隔 由式(6), 式(4), 式(3)可得時空相对性公式 △t = △t0/（1-V2/ c02）1/2 (7) S = S 0（1-V2/ c02）1/2 (8) 从以上，我们看到，物理正在哲学化，距离，时间间隔，声速都有相对和绝对的两重性。 |
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廖先生所例举的数学问题及答案与杨先生的声尺实验是一样的。 |
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对【34楼】说： 这个比喻还有些不恰当，因为"相对声速"的效果是与计算基本相符的， 时间差是：
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杨先生：
我并不否认你通过实验观察到的事实的真实性。正如我在【34】所说的，如果在你的声尺两端各安装一个挡板，我相信你会观察到，虽然你的电动车速度为8米/秒，但是观察到的变化将随着挡板面积（不用将你的声尺全封闭）的增大而减小，显示的发射器与接收器之间的距离越趋向于0.5米。 |