聲音是怎樣產(chǎn)生的?”

【專家解說】：一、聲音是怎么產(chǎn)生的? 聲音是由物體振動產(chǎn)生，正在發(fā)聲的物體叫聲源。聲音以聲波的形式傳播。聲音只是聲波通過固體或液體、氣體傳播形成的運動。聲波振動內(nèi)耳的聽小骨，這些振動被轉(zhuǎn)化為微小的電子腦波，它就是我們覺察到的聲音。內(nèi)耳采用的原理與麥克風(fēng)捕獲聲波或揚聲器的發(fā)音一樣，它是移動的機械部分與氣壓波之間的關(guān)系。自然，在聲波音調(diào)低、移動緩慢并足夠大時，我們實際上可以“感覺”到氣壓波振動身體。因此我們用混合的身體部分覺察到聲音。 二、什么是返回聲源? 先從聲源開始。用鼓槌捶擊軍鼓，鼓槌捶擊在鼓頭的穹形鼓皮上，鼓皮振動，振動的鼓皮然后就推動空氣，產(chǎn)生從鼓頭和鼓體發(fā)出并散開的壓力波。因此，“壓力波”從聲源向外發(fā)出并散開。為了證明這一點，向公園內(nèi)的池塘或家中的水槽內(nèi)拋入一個石頭，看看落入水中的物體產(chǎn)生的水波是如何從被干擾的波源散開的。另外注意，如果拋入水槽或象碗一樣的封閉容器中，波紋/振動是如何碰到邊緣、然后從壁上反彈回的。觀察封閉容器內(nèi)的波紋/水波，就給了你一些聲音是如何在封閉的屋子里移動，從墻壁上反彈回的概念。另外注意，石頭/石塊越大，產(chǎn)生波紋的間距就遠遠比小物體的要大。 三、聲音的重量 聲音沒有質(zhì)量,也就是沒有重量。聲音不是物體，只是一個名稱，聲音是一種機械縱波, 波是能量的傳遞形式，它有能量,所以能產(chǎn)生效果,但是它不同于光(電磁波),光有質(zhì)量有能量有動量,聲音在物理上只有壓力，沒有質(zhì)量. 四、聲音特性 (一)響度(loudness):人主觀上感覺聲音的大小(俗稱音量)，由“振幅”(amplitude)和人離聲源的距離決定，振幅越大響度越大，人和聲源的距離越小，響度越大。(單位:分貝dB) (二)音調(diào)(pitch):聲音的高低(高音、低音)，由“頻率”(frequency)決定，頻率越高音調(diào)越高(頻率單位Hz(hertz)，赫茲[/url，人耳聽覺范圍20~20000Hz。 20Hz以下稱為次聲波，20000Hz以上稱為超聲波)例如，低音端的聲音或更高的聲音，如細弦聲。 頻率是每秒經(jīng)過一給定點的聲波數(shù)量，它的測量單位為赫茲，是以一個名叫海里奇R.赫茲的音響奇人命名的。此人設(shè)置了一張桌子，演示頻率是如何與每秒的周期相關(guān)的。 1千赫或1000赫表示每秒經(jīng)過一給定點的聲波有1000個周期，1兆赫就是每秒鐘有1,000,000個周期，等等。 (三)音色(music quality):又稱音品，波形決定了聲音的音色。聲音因不同物體材料的特性而具有不同特性，音色本身是一種抽象的東西，但波形是把這個抽象直觀的表現(xiàn)。音色不同，波形則不同。典型的音色波形有方波，鋸齒波，正弦波，脈沖波等。不同的音色，通過波形，完全可以分辨的。 (四)樂音:有規(guī)則的讓人愉悅的聲音。噪音:從物理學(xué)的角度看，由發(fā)聲體作無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音;從環(huán)境保護角度看，凡是干擾人們正常工作、學(xué)習(xí)和休息的聲音，以及對人們要聽的聲音起干擾作用的聲音。 (五)音調(diào)，響度，音色是樂音的三個主要特征，人們就是根據(jù)他們來區(qū)分聲音。 五、聽得見與聽不見的聲音 正常人能夠聽見20Hz到20000Hz的聲音，而老年人的高頻聲音減少到10000Hz(或可以低到6000Hz)左右。人們把頻率高于20000Hz的聲音稱為超聲波，低于20Hz的稱為次聲波。超聲波(高于20000Hz)和正常聲波(20Hz - 20000Hz)遇到障礙物后會向原傳播方向的反方向傳播，而部分次聲波(低于20Hz)可以穿透障礙物，俄羅斯在北冰洋進行的核試驗產(chǎn)生的次聲波曾經(jīng)環(huán)繞地球6圈。超低頻率次聲波比其他聲波(10Hz以上的聲波)更具對人的破壞力，一部分可引起人體血管破裂導(dǎo)致死亡，但是這類聲波的產(chǎn)生條件極為苛刻，能讓人遇上的幾率很低。人的發(fā)聲頻率在100Hz(男低音)到10000Hz(女高音)范圍內(nèi)。 蝙蝠就能夠聽見頻率高達120000赫茲的超聲波，它發(fā)出的聲波頻率也可達到120000赫茲。蝙蝠發(fā)出的聲音，頻率通常在45000赫茲到90000赫范圍內(nèi)。狗能夠聽見高達50000赫茲的超聲波，貓能夠聽見高達60000赫茲以上的超聲波，但是狗和貓發(fā)出的聲音，都在幾十到幾千赫茲的范圍內(nèi)。 六、單個正弦波周期 “周期”表示一個波周期從0dB/靜音至全部打開又返回的一個全周期。上面所示為正弦波的一個單周期。中線為0dB,即靜音。波高為音量，從左至右為時間。“波長”為從左至右的峰-峰距離。 與用于廣播或電視信號等，還有其它的一樣，頻率進一步分為VHF(甚高頻)和UHF(超高頻)。人在年輕時可以聽到約20Hz到20,000Hz(20KHz)的頻率范圍，這是消費類CD的額定頻率范圍。人的聽力從12歲以后開始下降，經(jīng)常性處于聲壓級極大的情況下會導(dǎo)致我們聽力的靈敏度下降。因此，聲音具有音量/振幅和頻率/音調(diào)，另外還有基于時間的聲音結(jié)構(gòu)。聲音達到最大音量有多快，可持續(xù)多長時間以及聲音消失直到聽不到時需多長時間。所使用的最基本術(shù)語有: (一)“上升”:聲波從靜音達到最大振幅或音量所需的時間。 (二)“衰變”:聲波達到最大振幅/音量后消失為靜音所需的時間。 聲音的“音量-時間”形狀特性叫作“振幅包絡(luò)”。 簡單包絡(luò):“ 上升”達到最大音量并不是立即完成的。聲音然后緩緩地衰變。 將上述振幅/音量包絡(luò)用正弦波表示的結(jié)果 聲波的包絡(luò):在實際生活中，聲音是混雜的，含有以不同振幅包絡(luò)層迭的許多頻率。 七、聲音的應(yīng)用 次、超聲波也是聲音的一種，聲音的用處有很多。 次聲波的應(yīng)用 (1)通過研究自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的次聲波的特性和產(chǎn)生的機理，更深入地研究和認識這些自然現(xiàn)象的特征與規(guī)律。例如，利用極光所產(chǎn)生的次聲波，可以研究極光活動的規(guī)律。 (2)利用所接收到的被測聲源產(chǎn)生的次聲波，可以探測聲源的位置、大小和研究其他特性。例如，通過接收核爆炸、火箭發(fā)射或者臺風(fēng)產(chǎn)生的次聲波，來探測出這些次聲源的有關(guān)參量。 (3)預(yù)測自然災(zāi)害性事件。許多災(zāi)害性的自然現(xiàn)象，如火山爆發(fā)、龍卷風(fēng)、雷暴、臺風(fēng)等，在發(fā)生之前可能會輻射出次聲波，人們就有可能利用這些前兆現(xiàn)象來預(yù)測和預(yù)報這些災(zāi)害性自然事件的發(fā)生。 (4)次聲波在大氣層中傳播時，很容易受到大氣介質(zhì)的影響，它與大氣層中的風(fēng)和溫度分布等因素有著密切的聯(lián)系。因此，可以通過測定自然或人工產(chǎn)生的次聲波在大氣中的傳播特性，探測出某些大規(guī)模氣象的性質(zhì)和規(guī)律。這種方法的優(yōu)點在于可以對大范圍大氣進行連續(xù)不斷的探測和監(jiān)視。 (5)通過測定次聲波與大氣中其他波動的相互作用的結(jié)果，探測這些活動特性。例如，在電離層中次聲波的作用使電波傳播受到行進性干擾，可以通過測定次聲波的特性，進一步揭示電離層擾動的規(guī)律。 (6)人和其他生物不僅能夠?qū)Υ温暡óa(chǎn)生某些反應(yīng)，而且他(或它)們的某些器官也會發(fā)出微弱的次聲波。因此，可以利用測定這些次聲波的特性來了解人體或其他生物相應(yīng)器官的活動情況。 超聲波的應(yīng)用 (1)利用超聲波的巨大能量還可以把人體內(nèi)的結(jié)石擊碎. (2)清理金屬零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻煩事.如果在放有這些物品的清洗液中通入超聲波，清洗液的劇烈振動沖擊物品上的污垢，能夠很快清洗干凈. (3)用超聲波探測金屬、陶瓷混凝土制品，甚至水庫大壩，檢查內(nèi)部是否有氣泡、空洞和裂紋 (4)人體各個內(nèi)臟的表面對超聲波的反射能力是不同的，健康內(nèi)臟和病變內(nèi)臟的反射能力也不一樣.平常說的“B超”就是根據(jù)內(nèi)臟反射的超聲波進行造影，幫助醫(yī)生分析體內(nèi)的病變. 八、聲音的速度列表 空氣(15℃):340m/s， 空氣(25℃):346m/s， 水(常溫):1500m/s, 海水(25℃)1530m/s， 鋼鐵:5200m/s， 冰:3160m/s 軟木:500m/s， 聲音在空氣中的傳播速度還與壓強和溫度有關(guān)。 聲音的傳播需要物質(zhì)，物理學(xué)中把這樣的物質(zhì)叫做介質(zhì)。 聲音在空氣中的速度隨溫度的變化而變化，溫度每上升/下降5℃，聲音的速度上升/下降3m/s。 聲音的傳播最關(guān)鍵的因素是要有介質(zhì)，介質(zhì)指的是所有固體,液體和氣體，這是聲音能傳播的前提。物理參量有聲源離觀察者的距離，聲源的震動頻率，傳播介質(zhì)有關(guān)。 聲音的傳播速度隨物質(zhì)的堅韌性的增大而增加,物質(zhì)的密度減小而減少.如:聲音在冰的傳播速度比聲音在水的傳播速度快.冰的堅韌性比水的堅韌性強,但是水的密度大于冰.這減少了聲音在水與冰的傳播速度的差距.格式可寫為: c=ρ*C c:聲速 C:堅韌性(coefficient of stiffness ρ:密度 九、聲音與噪聲 聲音的本質(zhì)是波動。受作用得空氣發(fā)生振動，當(dāng)震動頻率在20-20000Hz時，作用于人的耳鼓膜而產(chǎn)生的感覺稱為聲音。聲源可以是固體、也可以是流體(液體和氣體)的振動。聲音的傳媒介質(zhì)有空氣。水和固體，它們分別稱為空氣聲、水聲和固體聲等。噪聲監(jiān)測主要討論空氣聲。 人類是生活在一個聲音的環(huán)境中，通過聲音進行交談、表達思想感情以及開展各種活動。但有些聲音也會給人類帶來危害。例如，震耳欲聾的機器聲，呼嘯而過的飛機聲等。這些為人們生活和工作所不需要的聲音叫噪聲，從物理現(xiàn)象判斷，一切無規(guī)律的或隨機的聲信號叫噪聲;噪聲的判斷還與人們的主觀感覺和心理因素有關(guān)，即一切不希望存在的干擾聲都叫噪聲，例如，在某些時候，某些情緒條件下音樂也可能是噪聲。 環(huán)境噪聲的來源有四種:一是交通噪聲，包括汽車、火車和飛機等所產(chǎn)生的噪聲;二是工廠噪聲，如鼓風(fēng)機、汽輪機，織布機和沖床等所產(chǎn)生的噪聲;三是建筑施工噪聲，像打樁機、挖土機和混凝土攪拌機等發(fā)出的聲音;四是社會生活噪聲，例如，高音喇叭，收錄機等發(fā)出的過強聲音。 十、聲音的發(fā)生、頻率、波長和聲速 頻率:聲源在一秒中內(nèi)振動的次數(shù)，記作f。單位為Hz。 周期:聲源振動一次所經(jīng)歷的時間，記作T，單位為s。T=1/f 波長:沿聲波傳播方向，振動一個周期所傳播的距離，或在波形上相位相同的相鄰兩點間距離，記為λ，單位為m。 聲速:聲波每秒在介質(zhì)中傳播的距離，記作c，單位為m/s。聲速與傳播聲音的介質(zhì)和溫度有關(guān)。在空氣中，聲速(c)和溫度(t)的關(guān)系可簡寫為:c = 331.4+0.607t 常溫下，聲速約為345m/s。 函數(shù)模型:純音的函數(shù)模型是y=Asin ωx. 我們聽到的聲音的函數(shù)是y=sinx+1/2*sin 2x+1/3*sin 3x+1/4*sin 4x+… 頻率f、波長λ和聲速c三者之間的關(guān)系是: c = λf 當(dāng)物體在空氣中振動，使周圍空氣發(fā)生疏、密交替變化并向外傳遞，且這種振動頻率在20-20000Hz之間，人耳可以感覺，稱為可聽聲，簡稱聲音，噪聲監(jiān)測的就是這個范圍內(nèi)的聲波。頻率低于20Hz的叫次聲，高于20000Hz的叫超聲，它們作用到人的聽覺器官時不引起聲音的感覺，所以不能聽到。 十一、分貝、聲功率、聲強和聲壓 1、 分貝 人們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降穆曇?，若以聲壓值表示，由于變化范圍非常大，可以達六個數(shù)量級以上，同時 聲音功率由于人體聽覺對聲信號強弱刺激反應(yīng)不是線形的，而是成對數(shù)比例關(guān)系。所以采用分貝來表達聲學(xué)量值。所謂分貝是指兩個相同的物理量(例A1和A0)之比取以10為底的對數(shù)并乘以10(或20)。N = 10lg(A1/A0) 分貝符號為"dB"，它是無量綱的。式中A0是基準量(或參考量)，A是被量度量。被量度量和基準量之比取對數(shù)，這對數(shù)值稱為被量度量的"級"。亦即用對數(shù)標(biāo)度時，所得到的是比值,它代表被量度量比基準量高出多少"級"。 2、聲功率(W) 聲功率是指單位時間內(nèi)，聲波通過垂直于傳播方向某指定面積的聲能量。在噪聲監(jiān)測中，聲功率是指聲源總聲功率。單位為W。 聲功率級: Lw =10lg(W/W0) 式中:Lw--聲功率級(dB); W-- 聲功率(W); W0-- 基準聲功率，為10-12 W。 3、聲強(I) 聲強是指單位時間內(nèi)，聲波通過垂直于傳播方向單位面積的聲能量。單位為 W / m2。 聲強級: LI = 10lg(I/I0)式中:LI -- 聲壓級(dB); I -- 聲強(W/m2); I0 -- 基準聲強，為10-12 W/m2。 4、聲壓(P) 聲壓是由于聲波的存在而引起的壓力增值。單位為Pa。聲波在空氣中傳播時形成壓縮和稀疏交替變化，所以壓力增值是正負交替的。但通常講的聲壓是取均方根值，叫有效聲壓，故實際上總是正值，對于球面波和平面波，聲壓與聲強的關(guān)系是: I= P2 / ρc式中:ρ-空氣密度，如以標(biāo)準大氣壓與20℃的空氣密度和聲速代入，得到ρ?c =408 國際單位值,也叫瑞利。稱為空氣對聲波的特性阻抗. 聲壓級: LP = 20lg(P/P0) 式中: LP-- 聲壓級(dB); P --聲壓(Pa); P0-- 基準聲壓，為2×10-5Pa，該值是對1000HZ聲音人耳剛能聽到的最低聲壓。 十二、響度和響度級 1 .響度(N) 響度是人耳判別聲音由輕到響的強度等級概念，它不僅取決于聲音的強度(如聲壓級)，還與它的頻率及波形有關(guān)。響度的單位為"宋",1宋的定義為聲壓級為40dB,頻率為1000Hz,且來自聽者正前方的平面波形 聲音 響度的強度。如果另一個聲音聽起來比1宋的聲音大n倍，即該聲音的響度為n宋。 2 .響度級(LN) 響度級是建立在兩個聲音主觀比較的基礎(chǔ)上，選擇1000Hz的純音作基準音，若某一噪聲聽起來與該純音一樣響，則該噪聲的響度級在數(shù)值上就等于這個純音的聲壓級(dB)。響度級用LN表示，單位是"方"。如果某噪聲聽起來與聲壓級為80dB，頻率為1000Hz的純音一樣響，則該噪聲的響度級就是80方。 3 .響度與響度級的關(guān)系 根據(jù)大量的實驗得到，響度級每改變10方，響度加倍或減半。它們的關(guān)系可用下列數(shù)學(xué)式表示:N = 2[(LN-40)/10] 或 LN = 40+33lgN注意，響度級的合成不能直接相加，而響度可以相加。應(yīng)先將各響度級換算成響度進行合成，然后再換算成響度級。