物理课上都学过,声音在不同介质中的传播速度:固体>液体>气体,这似乎恰好对应从大到小的介质密度。然而,冰的密度明明比水小,但声波在冰中的传播速度却是在水中的3倍。可见声速与介质密度的关系并非那么简单。声音和水波一样是机械波,本质上是由物体的振动产生的,声波的传播则是微观粒子之间在传递这种振动——一个粒子撞向另一个粒子,就如同多米诺骨牌一个接一个地传开。如此看来,难道不是粒子之间挨得越近,振动传递越快吗?这么想,你就忽略了粒子间的作用力,比如分子间的范德华力。如果把粒子比作小球,粒子间的作用力就好比弹簧,连接在各个小球之间。现在让我们像玩弹珠一样弹开小球,小球通过弹簧传递振动,弹簧弹开越快,声波传递也越快。这里“弹簧弹开的快慢”对应的就是物体的弹性模量大小。举例来说,镍和铜的密度相近,但镍的弹性模量大于铜,所以它对应的声速也更快。一般而言,固体的弹性模量大于液体大于气体。另一方面,球的质量越大,惯性越大,越难被推动,声波传递也越慢。球的质量对应的就是构成物体的基本粒子质量,它与物体密度紧密相关。这就不难理解为什么声波在氢气中的传播速度比空气中的要快了。
尽管固体、液体比气体的密度大得多,但它们之间的弹性模量差异更大,足以盖过密度的影响。