物理知识科普

物理知识科普-----声音世界的探索声音的产生我们周围是充满声音的世界。不论是有生命或者无生命的各个角落里，到处都充满着声音。正是由于声音的存在，人们才能互相交谈，表达感情，我们才能听广播，欣赏音乐。可见，声音同人们的生活是这样的紧密相关，那么声音究竟是怎样发生的呢？我们稍微留意地观察以下所听到的声音，就会发现，它们的根源都来自于物体的振动。声音是一种连续的波。我们把能够发出声音的物体叫做声源，但声源不一定非是固体不成，气体和液体也一样会因振动而发声。比如说笛子就是靠空气柱的振动发声，汽笛就是靠蒸汽通过汽笛时振动发声的，海水的波浪声，就是液体振动的结果。声音的传播然而，仅仅依靠振动我们也无法听到悦耳的声音，声音的传播需要物质，物理学中把这种物质叫做声的介质。但声音是无法在真空中传播的。我们来看一个实验：如果把一个钟放在一个带抽气机的大玻璃瓶里，当瓶里空气没有抽出时，钟的滴答声听得很清楚；当空气逐渐被抽出时，滴答声就逐渐减小了；当空气抽到真空时，钟声也就听不见了。空气抽到真空频率总之，振动的物体是声音的声源，振动在弹性介质（气体、固体和液体）中，以波的方式进行传播，这个弹性波就叫做声波，一定频率范围的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。敲一下音叉，它就会一来一回的摆动。这个有规则的摆动就叫振动。音叉往返一次算作一次振动，每秒振动的次数叫频率，用来表示，单位是赫。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定点的声波有1000个周期。但不是所有的振动人耳都听得见，只有频率为20～20000赫的振动人耳才能产生声音的感觉。低于20赫的声波叫次声，高于20000赫的声音叫超声。f虽然正常人能够听见20Hz到20000Hz的声音，但老年人的高频声音减少到10000Hz（或可以低到6000Hz）左右。超声波（高于20000Hz）和正常声波（20Hz-20000Hz）遇到障碍物后会向原传播方向的反方向传播，而部分次声波（低于20Hz）可以穿透障碍物，俄罗斯在北冰洋进行的核试验产生的次声波曾经环绕地球6圈。超低频率次声波比其他声波（10Hz以上的声波）更具对人的破坏力，一部分可引起人体血管破裂导致死亡，但是这类声波的产生条件极为苛刻，能让人遇上的几率很低。人的发声频率在100Hz（男低音）到10000Hz（女高音）范围内。蝙蝠就能够听见频率高达120000赫的超声波，它发出的声波频率也可达到120000赫。蝙蝠发出的声音，频率通常在45000赫到90000赫范围内。狗能够听见高达50000赫的超声波，猫能够听见高达60000赫以上的超声波，但是狗和猫发出的声音，都在几十到几千赫的范围内。需要提醒一下，在空气中传播的声波只是波动形式，空气本身并不传走，它只是在原地振动。这如同水波一样，在水上的漂浮物只是来回振动，并不传走，传走的只是水波的波动形式。声速声波在一定介质中传播的速度叫声速，用c来表示，单位是米/秒。在常温（20℃）和标准大气压下，空气中的声速是344米/秒。但声速不是固定不变的，当温度发生变化时，声速也随着发生变化，在0℃时，声速c=331.5米/秒，每增加1℃，声速增加0.607米/秒。在不同的介质中，声速也是不同的。物质传播速率（米／秒）倍率空气3441水14635木材335210铁503220（注）传播速率：固体＞液体＞气体声波声波波长，声速c，频率是声波的三个基本量，它们之间的关系为。在常温下，在空气中，当f=20赫时，=17.2米，当f=2000赫时，=1.72厘米。因此，在常温下，空气中人耳可听声波的波长在1.72厘米～17.2米之间。由此可看出，声音的频率高，波长就短；频率低，波长就长。fcf声波的传播特性——反射当声波遇到障碍物时，就像皮球碰在墙上一样，会发生反射。在一个封闭的房子里，声波向四面八方传播，碰到墙、顶棚、地面、家具等就会发生反射现象。反射声的存在，会使原来的声音加强。由于反射声的存在，当声源停止发声后，短时间还能听到声音，这叫做混响声。在噪声控制中，用吸声材料和吸声结构在房屋内表面做饰面就是为了减弱这个因反射而产生的混响声。从而使整个房间的噪声降低。声波的传播特性——折射声波在传播过程中，遇到不同特性阻抗（特性阻抗是介质的密度和该介质中的声速的乘积，单位是瑞利）的界面时，如从空气入射到钢板上，除了反射外，还将发生折射现象。当介质存在温度差时，特性阻抗也会发生相应的变化，声波亦将发生折射现象。当有风时，亦将发生声音的折射现象。一般地说，因为地面上有障碍物，地面的风速总要比上层空间的小。因此，在顺风时，声音在上层传播得快，向下折射，而在逆风时，声音在地面传播得快，相声折射。这就是顺风说话，老远的就可听见，而逆风说话，人们很不容易听见的道理。回音壁——完美的折射回音壁，是天坛中存放皇帝祭祀神牌的皇穹宇外围墙。墙高3.72米，厚0.9米，直径61.5米，周长193.2米。整个围墙都很光滑。只要有人对着这个墙壁说话（如图中A处），由于声波沿着它的内壁多次反射，站在内墙下任何位置的人都可以清楚地听到他的声音，并且觉得声音是从临近的墙壁处传来的。天坛的这些建筑物中充分体现了声音反射的原理，是我国古代劳动人民对建筑声学的一大贡献。声波的传播特性——绕射声波在传播过程中，遇到障碍物或孔洞时，当波长比障碍物或孔洞大得多时，会发生绕射现象。低频声波波长达十来米，所以很容易绕射过去。如果墙上有孔洞，很容易发生低频的“漏声”。在建筑规划和设计时，应当注意到声波的反射、折射、绕射现象，以达到理想的声学效果。此外，声波在传播时，还可以相互叠加，这叫做声波的干涉，大家也应该有所注意。声波的辐射下面我们来关注一下声波辐射的具体细节。当声源的尺寸与波长比起来很小的时候，声波成球面波的形状从声源较均匀地向各个方向辐射，没有方向性，这种声源叫做点声源。当声源的尺寸比波长大时，辐射出的声波以略微发散的声束传播着。波长与声源的尺寸相较越小，声束的发散角越小，其方向性越强。当声波波长与声源尺寸相比非常小时，声波几乎以不发散的声束成平面波的形状从声源向外界传播。我们知道，低频声波波长长、高频声波波长短。因此，在某一声源的背面，与正面相比，听起来低音相差不大，而高音差得很远。点声源---球面波线声源---平面波声波的衰减在大多数情况下在大多数实际情况下，可以近似地认为声波在声源附近具有球面波形状。球面波的强度与离开声源距离的平方成反比而降低，即当离声源的距离增为2、3、4、5倍时，声音的强度将相应地减为、、、。这是因为声源每秒钟发出的能量是一个恒量，离开声源的距离越大，能量的分布面也越大，因此，通过单位面积的能量就越小。这也就是离声源距离越近，声音越强，离声源的距离越远，声音越弱的原因。这叫做声波的距离衰减。4191161251在距离声源很远的地方，以及在通道和管子中声波一般成平面波的形状传播。另外，声波在远距离中传播时，总有一部分能量被空气吸收，由于空气吸收而引起的声衰减与声波的频率、空气的温度、温度有关。高频声波比低频声波衰减的快，因此，我们听到原来的飞机声音主要是低频成分。但随着飞机据我们的距离越来越近，高频成分也就逐渐增加了。我们与声音了解了声音本身的一些性质，我们现在再来看看人耳是如何感知声音的。首先我们来看看人耳的构造：人的耳朵是由外耳、中耳和内耳三部分组成的。人可以通过两种途径听到声音：第一种途径：外界声音——鼓膜——听小骨及其它组织——听觉神经——大脑第二种途径（骨传导）：声音——头骨、颌骨——听觉神经——大脑正常人通过这两种途径都能听到声音；耳聋的人则是通过第二种途径听到声音。伟大的音乐家贝多芬耳聋后就是用牙咬住木棒的一端，另一端顶在钢琴上听自己演奏的琴声。声音的量度我们听起来，有的声音大，有的声音小，那么究竟用什么尺度来衡量声音的大小呢？原来声波是疏密波，它使空气时而变密，时而变稀。空气变密，压强就增高；空气变稀，压强就降低。这样，由于声波的存在，使大气压产生迅速的起伏。这个起伏部分称为声压，声压越大，声音越强，声压越小，声音越弱，人们就用声压作为衡量声音大小的尺子。正常人耳刚刚听到的得声音的声压称为可听阈声压，而当声压使人耳产生疼痛感觉称为痛阈声压。声压级但是从听阈到痛阈，声压的绝对值相差一百万倍。用声压的绝对值来表示声音的强弱是很不方便的。为了方便起见，人们便引出一个成倍比关系的对数量——级，来表示声音的大小，这就是声压级。这正如风级按级分、地震按级算一样。声压级的单位是分贝。分贝又是什么呢？它是一个相对单位，没有量纲，它来源于电讯工程，在电讯工程中，常用两个功率比的常用对数来表示放大器的增益，这样得出的单位叫贝尔。分贝是贝尔的十分之一，因此分贝就是十乘以两个功率比值的常用对数的单位。从这里我们可以直观的看出在我们生活中出现的声音所对应的分贝值。声音的其他表征声波作为一种波动形式，当然是具有一定的能量，人们也常常用能量的大小来表征声辐射的强弱，这就引出了声强和声功率两个物理量。声强是在声传播的方向上，单位时间内通过单位面积的声能量。声功率是声源在单位时间内辐射出来的总能量。与声压一样，声强和声功率也用级来表示，这就是声强级和声功率级，其单位也是分贝。声音的频谱声音，有的低沉，有的尖锐。这是因为声音具有着不同的频率。频率低，音调低，声音低沉；频率高，音调高，声音尖锐。作为可闻声音，频率从20～20000赫，有1000倍的变化范围。为了方便起见，人们把一个宽广的声频范围划为几个小的频段，这就是通常所说的频带或频程。我们以频率（频带）为横坐标，以声压级（声强级、声功率级）为纵坐标，作出噪声测量图形，就可以清楚地了解该噪声的成分和性质，这就叫做频谱分析。这就是某两段噪声的频谱分析。声音的特性——乐音乐音的三要素：音调、响度和音色。含义决定因素相关问题音调声音的高低发声体的振动频率频率(f)：物体每秒钟振动的次数。单位：Hz人的发声频率范围：85Hz~1100Hz人的听觉频率范围：20Hz~20000Hz次声波与超声波响度声音的大小发声体振动的振幅振幅：物体振动的幅度音色声音的特色发声体本身的材料、结构音色是辨别不同发声体的依据关于噪声——定义人们的日常生活是离不开声音的。但当人们睡觉或者需要安静时，声音就成为不需要的了；当声音达到一定的强度时，对人们的身体健康还有危害。这种声音就是噪声。那么，噪声的定义是什么？它与乐音又有什么区别呢？从物理学观点讲，噪声就是各种不同频率和声强的声音的无规律的杂乱组合，如汽车的轰隆声等等，它的波形图是没有规则的非周期性的曲线；乐音是有规律的振动产生的，它的波形图是周期性的曲线。钢琴、琵琶等弦乐器，笛、黑管等管乐器发出的就是乐音。从生理学观点讲，凡是使人烦躁的、讨厌的、不需要的声音都叫噪声。从这个意义上来说，噪声和乐音就很难区分了。如：一个人演奏钢琴，理应属于乐音，但对于正在睡觉或思考问题的邻居来说，就成了讨厌的噪声。f乐音的波形图噪声的波形图噪声的分类那么，如何更深入地认识噪声呢？这里先让我们对噪声的分类进行一些了解。噪声可以从很多方面来分类，例如为区分由于自然现象和人为产生的噪声，可以分为自然噪声和人为噪声；又如，按频率分布，把噪声分为低频（500Hz）、中频（500Hz～1000Hz）和高频（1000Hz）噪声。所以，不同的分类法，有时对同一噪声可以有不同的名称。按城市环境噪声分类，我们将噪声分为交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声、社会生活噪声。交通噪声，顾名思义就是包括道路机动车辆、内河航运船舶、铁路车辆以及飞机等的噪声；工业噪声主要是工厂的各种动力设备、加工机械、生产设备等产生的噪声；建筑施工噪声，主要来源于建筑机械发出的噪声；社会生活噪声，这包括了人们的社会活动和家用设备发出的噪声。按噪声产生的机理，可分为机械噪声、空气动力性噪声和电磁噪声。机械噪声是由于机械部件之间在摩擦力、撞击力和非平衡力的作用下振动而产生的。简而言之，是固体振动产生的噪声；空气动力性噪声是由于气体振动产生的，当气体中有了涡流，或发生了压力突变等，引起气体的扰动，就产生了空气空气动力性噪声；最后来看看电磁噪声，