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声音

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利用其振动的薄膜,可以产生声音
红:次声波、蓝:可听声波、绿:超声波

声音是振动产生的声波,通过介质空气固体液体)传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。

声音的频率一般会以赫兹表示,记为Hz,指每秒锺周期性震动的次数。而分贝是用来表示声音强度的单位,记为dB。

声学[编辑]

声学是一个跨领域的科学,研究气体、液体及固体的机械波,包括振动、声音、超音波和次音波等。声学中和工程有关的部份称为声学工程英语acoustical engineering[1],和负责录音、声音处理、混音及声音复制的音响工程不同。

声学的应用几乎和在现代社会的每个层面都有关,其子领域包括航空声学英语aeroacoustics声音信号处理建筑声学生物声学英语bioacoustics电子声学英语electro-acoustics环境声学英语environmental noise音乐声学英语musical acoustics噪音控制英语noise control心理声学说话超音波水下声学英语underwater acoustics振动[2]

声音的原理[编辑]

声音是一种波动,当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时,声音的振动会引起介质——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。

声音总可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。这种变换(或分解)的过程,称为傅立叶变换。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(Hz)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

声音的物理学[编辑]

当物体振动时,同时伴随声音的产生。当振动体不再振动时,声音也随之停止。所以从生活的观察中可以归纳出:声音是由物体的振动所引起。

声音的传播[编辑]

因为声音是一种机械波,拥有波动传播的性质,例如频率波长反射折射干涉绕射散射

  • 音速跟介质的弹性模量密度有关,弹性模量是单位体积物质的抗力和形变量之比值,弹性模量越大,物质间不同形变程度处的相互作用力就越大而使加速度变大,声音就传播的越快。但若弹性模量相同之材料,密度越大则会使不同形变程度处之间的加速度降低,导致声音传播的速度降低,因此声音传波的速度和两者皆相关。数学形式详见音速页面。摄氏0度的空气中,声音的传播速度是331米/秒;在水中的传播速度是1473米/秒;在铁中的传播速度是5188米/秒。
  • 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。
  • 声音在传播还与相对运动有关,音速是相对于静止介质而言的,因此若介质和观察者有相对运动,则声音抵达的时间则要考虑相对运动。
  • 音频在不同之相对运动状态时也会改变,详见都普勒效应
  • 声音在经过不同音速的两介介质面时会产生反射和折射,例如人面对群山呼喊,就可以听得到自己的回声。
  • 干涉的例子是例如放烟火时若周遭有具有周期性的建筑结构存在,则听者会在烟火爆炸声后听到一个有特殊频率的回声,此和光谱和光栅分光原理相同。
  • 绕射的例子是当房门开启一个小缝时,房内所有的角落都听得见由门缝传播进来的声音。

音波的性质及特性[编辑]

各种频率的正弦波;下面的波的频率比上面的高。在这里,水平方向表示时间。

音波常简化为正弦平面波的合成,各平面波可以用以下的性质来描述:

  • 频率:音调越高,频率越大;音调越低,频率越小。(介质相同时,fλ成反比
  • 波长:音调越高,波长越短;音调越低,波长越长。(介质相同时,fλ成反比
  • 波数
  • 振幅:音量(响度)越大,振幅越大;音量越小,振幅越小。
  • 声压
  • 音强
  • 音速
  • 方向
  • 音色:即波形

人耳可以感知到的声音,其频率范围为20 Hz至20,000 Hz,在标准状况下的空气中,上述音波对应的波长从17 m至17 mm之间。有时音速及其方向会用速度向量来表示,波数和其方向则会用波矢表示。

当发音体越短、越细、越紧、越薄时,音调越高、频率越大、波长越短;发音体越长、越粗、越松、越厚时,音调越低、频率越小、波长越长。

横波也称为剪应力波,除了上述性质外,还有偏振性,这个不列在音波的性质中。

关于音速[编辑]

美国海军的F/A-18黄蜂式战斗攻击机速度突破音障,因空气周围压力的降低,因此水份凝结形成水蒸汽锥(即普朗特-格劳尔奇点[3][4]

一般来说,声速通常与与介质的不可压缩率与密度有关,利用连续介质力学经典力学,可导出下面的公式[5]

其中不可压缩率密度。因此音速随著介质的不可压缩率增加而变快,随著介质的密度增加而变慢。

对于一般的状态方程式,在经典力学适用范围内,音速可表示成[5]

此处偏微分针对绝热变化。

对于远离液态工作点的理想气体,则有

式中:

  • k绝热指数,是气体定压比热与定容比热之比,双原子气体(包括空气)K=1.4
  • R气体常数,空气为0.287kJ/(kg·K)
  • T为绝对温度(K)

关于音速,若温度在20度左右,还有一个非常实用的经验公式:c=331+0.6T(其中T为摄氏温度)。[6][7]

声音的接收[编辑]

人耳

“声音”一词在生理学心理学上的定义是指大脑所接收到的声音,和物理学的定义略有差异,心理声学中有许多心理学和声学有关的研究。不过有时声音只是指频率在人类或其他动物听觉范围英语hearing range内的振动[8]

任何器官所接收的声音频率都有其范围限制。人类的耳朵一般只能听到约在20Hz至20,000 Hz(20kHz)范围内的声音[9],其上限会随年龄增加而降低[10]。其他物种动物的听觉频率范围也有所不同,像狗可以听到超过40kHz的声音,但无法听到40 Hz以下的声音。不同物种动物的听觉频率范围如下:

  • 蝙蝠:1000~120000Hz
  • 海豚:2000~100000Hz
  • 猫:60~65000Hz
  • 狗:40~50000Hz[11]
  • 人:20~20000Hz

动物重要感官中的听觉即是接收声音。对动物而言,声音有侦测危险、导航捕食及沟通等作用。地球的大气、水及许多自然界现象(像火、下雨、风、海浪、地震)都产生其独特的声音。像哺乳动物也都发展出产生声音的器官。人类的语言也是借由声音来传递,是文化重要的一环,人类也发展出产生、录制、传送及播放声音的技术。

因为人类耳朵听觉范围英语hearing range的频率上限会随年龄而下降,也就表示年轻人可以听到的高频率声音,年龄较大的人不一定听得到。因此有些设备故意发出只有年轻人可以听到的高频率,可以制止年轻人集会,而不会影响其他年龄的人,称为蚊音[12]

声压[编辑]

声音的衡量
声压 p, SPL
粒子速度 v, SVL
粒子位移 ξ
声强 I, SIL
声功率 Pac
声能级 SWL
声能密度 E
声能通量 q
声阻抗 Z
声速 c
声频 AF

特定介质下的声压是指是指声波通过某种媒质时,由振动所产生的压强改变量,一般会考虑在不同时间或空间下,声压的均方根(RMS)为其平均值。例如空气中声压均方根为1Pa(94dbSPL)的声音,表示其实际的压强会在(1atm-2Pa)及(1atm+2Pa)之间变化,即在101323.6Pa及101326.4 Pa之间变化。若以压强的观点来看,上述声压造成的压强变化很小,但若频率在声频英语Audio frequency内,此此音却是震耳欲聋,可能会造成听力损害的程度。

由于人耳可以感测的声音振幅范围较广,声压一般会表示为对数尺度,以分贝表示的声压级SPL来表示。声压级SPL可以用L表示.定义如下:

其中

p为声压的均方根值
为参考声压,一般用的参考声压是以ANSI S1.1-1994为准,在空气中为20 µPa,在水中为1 µPa。若没有指定的参考声压,只有一个以分贝值表示的数值不能代表声压级。

因为人耳的响应率会随频率而变化,声压一般会再对频率进行加权,使声压的数值更接近人耳所接收到的压力。国际电工委员会定义了几种加权的框架。A加权英语A-weighting试著接近人耳对噪音的感受值,A加权的音压一般会标示为dBA,C-加权一般会用来量测最大值。

声音的应用[编辑]

超声波[编辑]

超声波为超越人体可听到的频率,即大于20000赫兹。超声波被广泛应用于工业军事医疗等行业。在工业上,常用超声波来清洗精密零件,原理是利用超声波在清洗液中产生震荡波,使清洗液产生瞬间的小气泡,从而冲洗零件的每个角落。军事上,潜艇声呐来发现敌军的舰船与潜艇。在医疗上,可以利用超声波进行洗牙和超声波碎胆结石等等应用。

次声波[编辑]

火山爆发龙卷风雷暴台风等许多灾害性事件发生前都会产生出次声波,人们就可以利用这种前兆来预报灾害事件的发生。在军事上,可用利用核试验火箭运行等产生的次声波获得相关的数据。

有关次声波对人体的伤害,有许多不同的说法,有些媒体认为次声波可以造成人员的伤亡[13],也有学者认为在实验中未能证明声压在170dB以下的次声波对听觉、平衡器官、肺脏或者其它内脏有任何破坏[14][15]。在185~190dB左右人的耳膜会破裂,这个声压相当于半个标准大气压。

噪音污染[编辑]

随着社会的进步,噪声污染已经成为社会突显问题。据调查,噪音每上升一分贝,高血压发病率就增加3%[16]。影响人的神经系统,使人急躁、易怒;亦会影响睡眠,令人难以入睡,过大的噪音可以令人在睡中醒来,从而扰乱睡眠周期,造成睡眠不足或感到疲倦。40~50dB的声音会干扰睡眠,60~70dB会干扰学习,120dB(或更高)会导致耳痛,听力丧失。

回音[编辑]

声音是一种波动,遇到障碍物时,有些会被物体吸收,有些则会反射回来,射回来的声音称为回音

相关条目[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ ANSI S1.1-1994. American National Standard: Acoustic Terminology. Sec 3.03.
  2. ^ Acoustical Society of America. PACS 2010 Regular Edition—Acoustics Appendix. [22 May 2013]. (原始内容存档于2013年5月14日). 
  3. ^ APOD: 19 August 2007 – A Sonic Boom
  4. ^ 存档副本. [2007-10-29]. (原始内容存档于2007-10-29). 
  5. ^ 5.0 5.1 The Speed of Sound. Mathpages.com. [2014-07-07]. 
  6. ^ 千华数位文化; 张正颂; [国民营事业招考]. 物理讲义. 千华数位文化. 14 March 2014: 146–. ISBN 978-986-315-819-6. 
  7. ^ David A. Bies; Colin H. Hansen. Engineering Noise Control Theory and Practice, Fourth Edition. CRC Press. 26 June 2009: 18–. ISBN 978-0-203-87240-6. 
  8. ^ The American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth Edition. Houghton Mifflin Company. 2000 [May 20, 2010]. (原始内容存档于六月 25, 2008). 
  9. ^ Music, Physics and Engineering - HARRY F AUTOR OLSON - Google Books. Books.google.com. [2014-07-07]. 
  10. ^ 噪音与震动. 814.mnd.gov.tw. 2010-11-20 [2014-07-07]. (原始内容存档于2014-07-15). 
  11. ^ 狗的听力及频率. Pet-love.com.tw. [2014-07-07]. 
  12. ^ FAQs. Compoundsecurity.co.uk. 2008-02-21 [2009-06-21].  已忽略文本“ Mosquito teen deterrent ” (帮助)
  13. ^ 声波:杀人于无形无声的恐怖武器. Scitech.people.com.cn. [2014-07-07]. 
  14. ^ Jürgen Altmann: Acoustic Weapons - A Prospective Assessment. Science & Global Security, Volume 9, S. 165-234, 2001
  15. ^ 陈耀明,叶林,陈景元,骆文静,刘秀红,杨瑞华,龚书明:次声对大鼠大脑皮层超微结构和单胺氧化酶的影响. JOURNAL OF ENVIRONMENT AND HEALTH. Volume 21 (3), 2004.存档副本 (PDF). [2014-07-07]. (原始内容 (PDF)存档于2015-06-17). 
  16. ^ 留一个什么样的中国给未来:中国环境警世录. Books.google.com.tw. [2014-07-07].