声音是怎样产生的?”

【专家解说】：一、声音是怎么产生的? 声音是由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。声音以声波的形式传播。声音只是声波通过固体或液体、气体传播形成的运动。声波振动内耳的听小骨，这些振动被转化为微小的电子脑波，它就是我们觉察到的声音。内耳采用的原理与麦克风捕获声波或扬声器的发音一样，它是移动的机械部分与气压波之间的关系。自然，在声波音调低、移动缓慢并足够大时，我们实际上可以“感觉”到气压波振动身体。因此我们用混合的身体部分觉察到声音。 二、什么是返回声源? 先从声源开始。用鼓槌捶击军鼓，鼓槌捶击在鼓头的穹形鼓皮上，鼓皮振动，振动的鼓皮然后就推动空气，产生从鼓头和鼓体发出并散开的压力波。因此，“压力波”从声源向外发出并散开。为了证明这一点，向公园内的池塘或家中的水槽内抛入一个石头，看看落入水中的物体产生的水波是如何从被干扰的波源散开的。另外注意，如果抛入水槽或象碗一样的封闭容器中，波纹/振动是如何碰到边缘、然后从壁上反弹回的。观察封闭容器内的波纹/水波，就给了你一些声音是如何在封闭的屋子里移动，从墙壁上反弹回的概念。另外注意，石头/石块越大，产生波纹的间距就远远比小物体的要大。 三、声音的重量 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，声音是一种机械纵波, 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. 四、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[/url，人耳听觉范围20~20000Hz。 20Hz以下称为次声波，20000Hz以上称为超声波)例如，低音端的声音或更高的声音，如细弦声。 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，是以一个名叫海里奇R.赫兹的音响奇人命名的。此人设置了一张桌子，演示频率是如何与每秒的周期相关的。 1千赫或1000赫表示每秒经过一给定点的声波有1000个周期，1兆赫就是每秒钟有1,000,000个周期，等等。 (三)音色(music quality):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。 五、听得见与听不见的声音 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。 六、单个正弦波周期 “周期”表示一个波周期从0dB/静音至全部打开又返回的一个全周期。上面所示为正弦波的一个单周期。中线为0dB,即静音。波高为音量，从左至右为时间。“波长”为从左至右的峰-峰距离。 与用于广播或电视信号等，还有其它的一样，频率进一步分为VHF(甚高频)和UHF(超高频)。人在年轻时可以听到约20Hz到20,000Hz(20KHz)的频率范围，这是消费类CD的额定频率范围。人的听力从12岁以后开始下降，经常性处于声压级极大的情况下会导致我们听力的灵敏度下降。因此，声音具有音量/振幅和频率/音调，另外还有基于时间的声音结构。声音达到最大音量有多快，可持续多长时间以及声音消失直到听不到时需多长时间。所使用的最基本术语有: (一)“上升”:声波从静音达到最大振幅或音量所需的时间。 (二)“衰变”:声波达到最大振幅/音量后消失为静音所需的时间。 声音的“音量-时间”形状特性叫作“振幅包络”。 简单包络:“ 上升”达到最大音量并不是立即完成的。声音然后缓缓地衰变。 将上述振幅/音量包络用正弦波表示的结果 声波的包络:在实际生活中，声音是混杂的，含有以不同振幅包络层迭的许多频率。 七、声音的应用 次、超声波也是声音的一种，声音的用处有很多。 次声波的应用 (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。 超声波的应用 (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. 八、声音的速度列表 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， 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。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*C c:声速 C:坚韧性(coefficient of stiffness ρ:密度 九、声音与噪声 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。 十、声音的发生、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。在空气中，声速(c)和温度(t)的关系可简写为:c = 331.4+0.607t 常温下，声速约为345m/s。 函数模型:纯音的函数模型是y=Asin ωx. 我们听到的声音的函数是y=sinx+1/2*sin 2x+1/3*sin 3x+1/4*sin 4x+… 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。 十一、分贝、声功率、声强和声压 1、 分贝 人们日常生活中遇到的声音，若以声压值表示，由于变化范围非常大，可以达六个数量级以上，同时 声音功率由于人体听觉对声信号强弱刺激反应不是线形的，而是成对数比例关系。所以采用分贝来表达声学量值。所谓分贝是指两个相同的物理量(例A1和A0)之比取以10为底的对数并乘以10(或20)。N = 10lg(A1/A0) 分贝符号为"dB"，它是无量纲的。式中A0是基准量(或参考量)，A是被量度量。被量度量和基准量之比取对数，这对数值称为被量度量的"级"。亦即用对数标度时，所得到的是比值,它代表被量度量比基准量高出多少"级"。 2、声功率(W) 声功率是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。在噪声监测中，声功率是指声源总声功率。单位为W。 声功率级: Lw =10lg(W/W0) 式中:Lw--声功率级(dB); W-- 声功率(W); W0-- 基准声功率，为10-12 W。 3、声强(I) 声强是指单位时间内，声波通过垂直于传播方向单位面积的声能量。单位为 W / m2。 声强级: LI = 10lg(I/I0)式中:LI -- 声压级(dB); I -- 声强(W/m2); I0 -- 基准声强，为10-12 W/m2。 4、声压(P) 声压是由于声波的存在而引起的压力增值。单位为Pa。声波在空气中传播时形成压缩和稀疏交替变化，所以压力增值是正负交替的。但通常讲的声压是取均方根值，叫有效声压，故实际上总是正值，对于球面波和平面波，声压与声强的关系是: I= P2 / ρc式中:ρ-空气密度，如以标准大气压与20℃的空气密度和声速代入，得到ρ?c =408 国际单位值,也叫瑞利。称为空气对声波的特性阻抗. 声压级: LP = 20lg(P/P0) 式中: LP-- 声压级(dB); P --声压(Pa); P0-- 基准声压，为2×10-5Pa，该值是对1000HZ声音人耳刚能听到的最低声压。 十二、响度和响度级 1 .响度(N) 响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，它不仅取决于声音的强度(如声压级)，还与它的频率及波形有关。响度的单位为"宋",1宋的定义为声压级为40dB,频率为1000Hz,且来自听者正前方的平面波形 声音 响度的强度。如果另一个声音听起来比1宋的声音大n倍，即该声音的响度为n宋。 2 .响度级(LN) 响度级是建立在两个声音主观比较的基础上，选择1000Hz的纯音作基准音，若某一噪声听起来与该纯音一样响，则该噪声的响度级在数值上就等于这个纯音的声压级(dB)。响度级用LN表示，单位是"方"。如果某噪声听起来与声压级为80dB，频率为1000Hz的纯音一样响，则该噪声的响度级就是80方。 3 .响度与响度级的关系 根据大量的实验得到，响度级每改变10方，响度加倍或减半。它们的关系可用下列数学式表示:N = 2[(LN-40)/10] 或 LN = 40+33lgN注意，响度级的合成不能直接相加，而响度可以相加。应先将各响度级换算成响度进行合成，然后再换算成响度级。