如果大家听力灵敏的话,应该也注意到:在两列火车相向行驶时,汽笛的音调发生了变化(不是声音,而是音调的高低变化)。汽笛的音调在两列火车逐渐靠近时比相互远离时要高一些。如果火车的速度是50千米/小时,音调低高差不多可以达到一个全音程的差别。
如果大家还没有忘记声音每秒的振动次数决定了音调高低的话,就可以很容易地想到其中的缘由了。解答这道题时,可以和前面一节的内容进行比较。迎面开来的火车汽笛声的振动次数是不变的,不过你听到的振动次数取决于你坐的这列火车的运行状态,要看它是迎面开过去,是停在原地,还是与对面列车相遇后再背向而驰。
就好像如果你坐火车到莫斯科,你每天可以读到2期日报一样。在这里,随着声源的靠近,你听到的汽笛每秒的振动次数比其实际振动次数要多。耳朵接收到的振动次数越多,听到的音调就越高。相反的,当两列火车相遇后远去,听到的振动次数减少了,音调就低了。
如果你不能完全信服这个解释,你可以仔细想一想汽笛的声波传播方式。先看静止状态下的火车(图)。为了便于理解,在这里,我们只讨论汽笛产生的其中4个声波(图上所示的波状线):声音从静止的火车传来之后,朝各个方向传播的路程在同样长的时间段里是一样的。0号波到达观察者AB的时间相同;随后1号、2号和3号声波也同时到达他们的耳朵。两人一秒钟之内接收的振动次数相同,所以听到的音调也一样。
图 关于火车鸣笛的问题。上面的曲线表示的是静止不动时火车鸣笛时的声波,下面表示的是运动的火车鸣笛时的声波。
如果火车是从B向A开去(图下面的波状线),情况又不同了。假设汽笛在某一时刻的位置是C点,在发出4个声波之后,它已经到达D点了。
现在,我们来分析一下声波的传播。0号波从C点发出,同时到达A和B两位观察者处。4号波从D点发出,却不能同时到达AB:如果DA小于DB,4号波就会先到达A点。同样的,1号波和2号波也会先到A后到B,不过时间相差无几。于是A点的观察者就比B点的观察者接收的声波多,所以听到的音调也会高一些。与此同时,可以明显看出声波向A方向传播的波长比向B方向的短一些。有一点要注意,图中的波状线并不是声波的形状。实际上,空气微粒不是与声音传播方向垂直的横波,而是沿着声音方向的纵波。为了方便读者理解,这里画成了垂直方向的。图中波峰是指纵波方向上声音压缩得最厉害的地方。