声音的基本原理

原理声音是一种压力波：当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时，他们的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就产生了声波，这种现象会一直延续到振动消失为止。声音作为波的一种，频率和振幅就成了描述波的重要属性，频率的大小与我们通常所说的音高对应，而振幅影响声音的大小。因此，一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹之间。高于这个范围的波动称为超声波，而低于这一范围的称为次声波。狗和蝙蝠等动物可以听得到高达16万赫兹的声音。鲸和大象则可以产生频率在15到35赫兹范围内的声音。特性（一）响度（loudness）：人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由“振幅”（amplitude）和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越小，响度越大。（单位：分贝dB）（二）音调（pitch）：声音的高低（高音、低音），由“频率”（frequency）决定，频率越高音调越高（频率单位Hz（hertz），赫兹。频率是每秒经过一给定点的声波数量，它的测量单位为赫兹，是以海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名的。（三）音色（Timbre）：又称音品，波形决定了声音的音色。声音因不同物体材料的特性而具有不同特性，音色本身是一种抽象的东西，但波形是把这个抽象直观的表现。音色不同，波形则不同。典型的音色波形有方波，锯齿波，正弦波，脉冲波等。不同的音色，通过波形，完全可以分辨的。（四）乐音：有规则的让人愉悦的声音。噪音：从物理学的角度看，由发声体作无规则振动时发出的声音；从环境保护角度看，凡是干扰人们正常工作、学习和休息的声音，以及对人们要听的声音起干扰作用的声音。（五）音调，响度，音色是乐音的三个主要特征，人们就是根据他们来区分声音。传播声音在不同的介质中传播的速度也是不同的。声音的传播速度跟介质的反抗平衡力有关，反抗平衡力就是当物质的某个分子偏离其平衡位置时，其周围的分子就要把它挤回到平衡位置上，而反抗平衡力越大，声音就传播的越快。水的反抗平衡力要比空气的大，而铁的反抗平衡力又比水的大。声音的传播也与温度有关，声音在热空气中的传播速度比在冷空气中的传播速度快。声音在传播还与阻力有关，当大风的天气中，声音传播的速度就慢得多。声音还会因外界物质的阻挡而发生折射，例如人面对群山呼喊，就可以听得到自己的回声。另一个以折射为例：晚上的声音传播的要比白天远，是因为白天声音在传播的过程中，遇到了上升的热空气，从而把声音快速折射到了空中；晚上冷空气下降，声音会沉着地表慢慢的传播，不容易发生折射。单位赫兹赫兹是频率单位，记为Hz，指每秒钟周期性变化的次数。分贝分贝是用来表示声音强度的单位，记为dB。声音重量声音没有质量，也就是没有重量。声音不是物体，只是一个名称，声音是一种纵波，波是能量的传递形式，它有能量，所以能产生效果，但是它不同于光(电磁波),光有质量有能量有动量，声音在物理上只有压力，没有质量。听见与听不见正常人能够听见20Hz到20000Hz的声音，而老年人的高频声音减少到10000Hz（或可以低到6000Hz）左右。人们把频率高于20000Hz的声音称为超声波，低于20Hz的称为次声波。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赫兹的超声波，它发出的声波频率也可达到120000赫兹。蝙蝠发出的声音，频率通常在45000赫兹到90000赫范围内。狗能够听见高达50000赫兹的超声波，猫能够听见高达60000赫兹以上的超声波，但是狗和猫发出的声音，都在几十到几千赫兹的范围内。蝴蝶翅膀扇动频率很小，每秒大约5次。所以我们一般听不到蝴蝶翅膀扇动的声音。应用用处1．通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。2．利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。3．预测自然灾害性事件。许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。4．次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。5．通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如，在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰，可以通过测定次声波的特性，进一步揭示电离层扰动的规律。6．人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他（或它）们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。超声波应用1．利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎．2．清理金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事．如果在放有这些物品的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净．3．用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹4．人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样．平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变．不同速度空气（15℃）：340m/s，空气（25℃）：346m/s，水（常温）：1500m/s,海水（25℃）1530m/s，钢铁：5200m/s，冰：3160m/s软木：500m/s，松木：3320m/s尼龙：2600m/s水泥：4800m/s声音在空气中的传播速度还与压强和温度有关。声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质叫做介质。声音在空气中的速度随温度的变化而变化，温度每上升/下降5℃，声音的速度上升/下降3m/s。声音的传播最关键的因素是要有介质，介质指的是所有固体，液体和气体，这是声音能传播的前提。所以，真空不能传声。物理参量有声源离观察者的距离，声源的震动频率，传播介质有关。声音的传播速度随物质的坚韧性的增大而增加，物质的密度减小而减少.如：声音在冰的传播速度比声音在水的传播速度快.冰的坚韧性比水的坚韧性强，但是水的密度大于冰.这减少了声音在水与冰的传播速度的差距.格式可写为：c=ρ*Cc：声速C：坚韧性(coefficientofstiffness)ρ：密度噪声信息声音的本质是波动。受作用得空气发生振动，当震动频率在20-20000Hz时，作用于人的耳鼓膜而产生的感觉称为声音。声源可以是固体、也可以是流体（液体和气体）的振动。声音的传媒介质有空气﹑水和固体，它们分别称为空气声、水声和固体声等。噪声监测主要讨论空气声。人类是生活在一个声音的环境中，通过声音进行交谈、表达思想感情以及开展各种活动。但有些声音也会给人类带来危害。例如，震耳欲聋的机器声，呼啸而过的飞机声等。这些为人们生活和工作所不需要的声音叫噪声，从物理现象判断，一切无规律的或随机的声信号叫噪声；噪声的判断还与人们的主观感觉和心理因素有关，即一切不希望存在的干扰声都叫噪声，例如，在某些时候，某些情绪条件下音乐也可能是噪声。环境噪声的来源有四种：一是交通噪声，包括汽车、火车和飞机等所产生的噪声；二是工厂噪声，如鼓风机、汽轮机，织布机和冲床等所产生的噪声；三是建筑施工噪声，像打桩机、挖土机和混凝土搅拌机等发出的声音；四是社会生活噪声，例如，高音喇叭，收录机等发出的过强声音。如何控制噪音1．在声源处防止噪声产生，如摩托车上的消音器、城区禁止鸣笛等；2．阻断噪声的传播，如城市道路旁的隔声板等；3．防止噪声进入耳朵，如工厂的工人带防噪声耳罩等。发生、频率、波长和声速频率：声源在一秒中内振动的次数，记作f。单位为Hz。周期：声源振动一次所经历的时间，记作T，单位为s。T=1/f波长：沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间距离，记为λ，单位为m。声速：声波每秒在介质中传播的距离，记作c，单位为m/s。声速与传播声音的介质和温度有关。声速约为345m/s。频率f、波长λ和声速c三者之间的关系是：c=λf当物体在空气中振动，使周围空气发生疏、密交替变化并向外传递，且这种振动频率在20-20000Hz之间，人耳可以感觉，称为可听声，简称声音，噪声监测的就是这个范围内的声波。频率低于20Hz的叫次声，高于20000Hz的叫超声，它们作用到人的听觉器官时不引起声音的感觉，所以不能听到。声音试验声音灭火如果我问你，失火的时候应该用什么来把它扑灭。你会毫不犹豫地说“当然是用水啦”。那我再问你，你是怎样熄灭蜡烛的？你也会毫不犹豫的说“当然是用嘴来把它吹灭啦”。你的回答是不错的。在日常生活中，这是我们最常用的灭火和灭烛的方法。可是我却是用声音来熄灭蜡烛的，奇怪吗？把一支点燃的蜡烛固定在桌子上。然后用你的左手握住圆纸盒，把它拿到离蜡烛60厘米左右的地方，并且使盒盖上的洞对准蜡烛的火焰。用你右手的食指不停地弹圆纸盒的盒底。圆纸盒发出了“扑扑”的声音。不一会儿，你就会发现蜡烛的火焰被熄灭了。难道真的是声音把火给扑灭了吗？如果你还不相信，那你还可以多试几次，结果都是一样的。因为你用力敲击盒底的时候，产生了声音，声音本身是一种波，而声波是有压力的。在这个压力的作用下，火焰便被“压”灭了。这就是声灭火器的道理。声音震碎玻璃玻璃是混合物，其中有硅酸盐和大量的二氧化硅以及其他的杂质，所以不存在固有频率。但是对于石英玻璃，是有的，在20000*（1+8%）Hz之间。人的声带频率一般不高于2000Hz，因此很少能把玻璃振碎（共振），但是有些特殊的女高音，其声带频率可以达到和玻璃频率很相近的程度，从而振碎玻璃，但是这种情况比较少。而且声音震碎玻璃要有前提，首先，人出的声音必须与玻璃的共振频率一致，而且，玻璃一定要存在这肉眼看不见的破裂和裂口，只有具备了这些所有的外部条件之后，再加上一点任自己的运气，用声音击碎玻璃是完全有可能的。2005年“探索”频道《MythBusters》电视节目就探讨了这个问题，摇滚歌手兼歌唱教练杰米．温德拉就用自己的声音击碎了一些玻璃器皿，他尝试过12只酒杯，后来无意中幸运地击碎一只，第一次证明了个人声音就能击碎玻璃的说法是正确的，他击碎玻璃的那一幕被拍成了电视。温德拉的击碎玻璃的咏叹调被纪录为105分贝，音量几乎和电钻钻起来差不多。物理声音物理中声音是由物体振动发生的，正在发声的物体叫做声源.声音的传播是需要介质的，这个介质可以是空气，水，固体.当然在真空中，声音不能传播.刚才提到声音是由物体振动发声的，物体在一秒钟之内振动的次数叫做频率，单位是赫兹，字母Hz.人的耳朵可以听到20Hz-----20000Hz的声音.最敏感是1000Hz-----3000Hz之间的声音.声音在空气中（15°）的传播为340米/秒.声音在不同介质中传播速度是固体液体气体，声的传播速度与介质的种类和介质的温度有关.物理中，音调指乐音的高低，响度指声音的大小，音色指声音的特色，要区分开.有时，我们站在山上高呼，会听到我们的回声，是因为声音在传播色过程中，遇到山这样的障碍，会反弹回来，再次被我们听到.当两种声音传到我们的耳朵里时，时差小于0.1秒时，我们就区分不开了.当声源停止振动后，声音还会持续一段时间，这种现象叫做混响.自然界中，有