你有沒有試過在水下對著岸上大喊，卻發(fā)現(xiàn)水面上的人幾乎聽不到?明明聲音能在水里高效傳播，聲速還比空氣快很多，可就是傳不出來。答案很簡單：水和空氣的聲阻抗差太大，聲音在界面幾乎全反射，只有極少信號能穿出水面。
聲阻抗可以理解為介質(zhì)“傳遞聲波的難度”，由介質(zhì)密度和聲速相乘得到。
常溫下，空氣的聲阻抗約415瑞利(Rayl)，而水高達(dá)約150萬瑞利(Rayl)，兩者相差近 3614 倍。這種巨大差距，就像讓高速奔跑的人突然踩進(jìn)泥潭，能量根本無法順暢傳遞。
當(dāng)聲波從水中垂直射向空氣界面，大部分能量會被直接反射回去。根據(jù)聲學(xué)公式計算，能量反射系數(shù)接近99.9%，意味著只有0.1%的聲音能量能穿透水面進(jìn)入空氣。這一點(diǎn)點(diǎn)信號，在空氣中傳播時還會不斷衰減，到達(dá)人耳時已經(jīng)微弱到難以察覺。
更特別的是，水下聲音傳到空氣時，反射波還會出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)，波峰變波谷、波谷變波峰，但這并不改變能量大量損失的結(jié)果。不管是空氣傳向水，還是水傳向空氣，這個界面都是一道難以跨越的 “聲學(xué)高墻”。
這種現(xiàn)象在生活中很常見：泳池邊喊話水下聽不清，潛水時聽不到岸上的聲音，都是阻抗不匹配在 “搗亂”。而在醫(yī)療超聲、聲學(xué)工程里，人們會用阻抗匹配技術(shù)解決這個問題。比如 B 超探頭的匹配層、檢查用的耦合劑，都是通過過渡材料讓阻抗平滑過渡，減少反射，讓聲波高效傳遞。
簡單來說，水下聲音不是傳不遠(yuǎn)，而是跨不過空氣和水的阻抗鴻溝。99.9% 的能量被界面反射，僅 0.1% 的信號能勉強(qiáng)穿出水面，這就是我們聽不到水下聲音的真正原因。
物聲阻抗的計算方式是：物體的密度×物體的聲速。
密度的縮寫是希臘字母ρ。
聲速的縮寫是英文字母c或者v。
聲阻抗的縮寫是英文字母Z。
聲阻抗計算公式是統(tǒng)一的：Z=ρ×c
一、空氣的聲阻抗計算
常溫常壓(20℃，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)
空氣密度ρ空氣≈1.205 kg/m3
空氣中聲速c空氣≈343 m/s
空氣的聲阻抗Z=1.205kg/m3×343 m/s≈413.3Pa·s/m
二、水的聲阻抗計算
常溫(20℃)水
水密度 ρ水≈998 kg/m3
水中聲速 c水≈1480 m/s
水的聲阻抗Z=998kg/m3×1480 m/s≈1477040Pa·s/m
三、空氣聲阻抗和水的聲阻抗對比
水的聲阻抗Z≈1477040Pa·s/m
空氣的聲阻抗Z≈413.3Pa·s/m
1477040Pa·s/m÷413.3Pa·s/m≈3574倍
