聲學(xué)震動(dòng)原理是什么?

【專家解說】：聲波 聲源體發(fā)生振動(dòng)會(huì)引起四周空氣振蕩，那種振蕩方式就是聲波。聲以波的形式傳播著,我們把它叫做聲波.聲波借助各種媒介向四面八方傳播。在開闊空間的空氣中那種傳播方式像逐漸吹大的肥皂泡，是一種球形的陣面波。聲音是指可聽聲波的特殊情形，例如對(duì)于人耳的可聽聲波，當(dāng)那種陣面波達(dá)到人耳位置的時(shí)候，人的聽覺器官會(huì)有相應(yīng)的聲音感覺。 除了空氣，水、金屬、木頭等也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好媒質(zhì)。在真空狀態(tài)中聲波就不能傳播了。 正弦波是最簡(jiǎn)單的波動(dòng)形式。優(yōu)質(zhì)的音叉振動(dòng)發(fā)出聲音的時(shí)候產(chǎn)生的是正弦聲波。 正弦聲波屬于純音。任何復(fù)雜的聲波都是多種正弦波疊加而成的復(fù)合波，它們是有別于純音的復(fù)合音。正弦波是各種復(fù)雜聲波的基本單元。 揚(yáng)聲器、各種樂器以及人和動(dòng)物的發(fā)音器官等都是聲源體。地震震中、閃電源、雨滴、刮風(fēng)、隨風(fēng)飄動(dòng)的樹葉、昆蟲的翅膀等各種可以活動(dòng)的物體都可能是聲源體。它們引起的聲波都比正弦波復(fù)雜，屬于復(fù)合波。地震產(chǎn)生多種復(fù)雜的波動(dòng)，其中包括聲波，實(shí)際上那種聲波本身是人耳聽不著的，它的頻率太低了(例如1Hz)。 人對(duì)聲音的感覺有一定頻率范圍，大約每秒鐘振動(dòng)20次到20000次范圍內(nèi)，即頻率范圍是20Hz--20000Hz，如果物體振動(dòng)頻率低于20Hz或高于20000Hz人耳就聽不到了，高于20000Hz的頻率就叫做超聲波，而低于20Hz的頻率就叫做次聲波。所以說不是所有物體的振動(dòng)所發(fā)出的聲音我們都能聽到的。另外要能聽到聲音也必須有傳播聲音的介質(zhì)。 聲波是大氣壓力之外的一種超壓變化。 空氣粒子振動(dòng)的方式跟聲源體振動(dòng)的方式一致，當(dāng)聲波到達(dá)人的耳鼓的時(shí)候就引起耳鼓同樣方式的振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)耳鼓振動(dòng)的能量來自聲源體，它就是普通的機(jī)械能。不同的聲音就是不同的振動(dòng)方式，它們能夠起區(qū)別不同信息的作用。人耳能夠分辨風(fēng)聲、雨聲和不同人的聲音，也能分辨各種言語聲，它們都是來自聲源體的不同信息波。 言語聲是按人類群體約定的方式使用的，它包含語言學(xué)信息。人們以同樣方式來使用言語聲才能夠達(dá)到互相理解的目的。反復(fù)不斷的交際活動(dòng)和交際過程中的趨同作用使那種約定能夠不斷持續(xù)下去。幼兒是通過交際學(xué)會(huì)使用那種約定好的言語聲的。那種約定也會(huì)在幾代人長期過程中逐漸改變，語言也就有了演變。三世、四世同堂的家庭中已經(jīng)可以覺察出細(xì)微的演變來。 請(qǐng)注意，聲波不是沖擊波，聲波前進(jìn)的過程是相鄰空氣粒子之間的接力賽，它們把波動(dòng)形式向前傳遞，它們自己仍舊在原地振蕩，也就是說空氣粒子并不跟著聲波前進(jìn)!同樣，在語音研究中要區(qū)分氣流與聲波，它們是兩回事。在發(fā)音器官里，聲帶、舌尖或小舌的顫動(dòng)，以及輔音噪聲的形成等，都離不開氣流的作用，但是氣流不是聲波的代名詞。所謂“*濁音氣流”、“*清音氣流”的說法似乎包含了極其含混的意思。 另外，即使沒有其他聲源體的作用，空氣粒子總是在做無規(guī)則的震蕩，或者說它們總是在騷動(dòng)，它們激發(fā)起微弱的“白噪聲”。絕對(duì)靜寂的大氣空間是不存在的。所謂背景噪聲還包括自然界或人類生活環(huán)境里許多聲源體雜亂的聲音，對(duì)于言語交際來說它們沒有信息價(jià)值。居室四壁或陡峭的山坡還有回聲效應(yīng)，噪聲被放大、被增強(qiáng)了。言語聲和它的滯后的回聲疊加在一起，變成復(fù)雜的回響聲。電聲儀器設(shè)備里也都有白噪聲。那種沒有通信價(jià)值的噪聲很強(qiáng)烈的時(shí)候人們會(huì)心煩意亂。有意思的是，在噪聲極小的消聲室待久了，人會(huì)感到不安寧。音樂中恰當(dāng)使用沙錘之類的噪聲帶來的是藝術(shù)欣賞價(jià)值。人類語言里的許多輔音都包含噪聲，它們很重要，能夠起區(qū)分輔音的作用。 “聲源”在空氣中振動(dòng)時(shí)，一會(huì)兒壓縮空氣，使其變得“稠密”;一會(huì)兒空氣膨脹，變得“稀疏”，形成一系列疏、密變化的波，將振動(dòng)能量傳送出去。這種媒介質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，稱為“縱波”。不過要注意，聲波雖然一般是縱波，但在固體中傳播時(shí)，也可以同時(shí)有縱波及橫波，橫波速度約為縱波速度的50%-60%。在空氣中的聲波是縱波，原因是氣體或液體(合稱流體)不能承受切力，因此聲波在流體中傳播時(shí)不可能為橫波;但固體不僅可承受壓(張)應(yīng)力，也可以承受切應(yīng)力，因此在固體中可以同時(shí)有縱波及橫波。地震波其實(shí)就是在地殼中傳播的聲波(確切講是次聲波)，只是它的頻率通常不在我們可聽聞的范圍內(nèi)(某些動(dòng)物則聽聞得到) 雖然次聲波看不見，聽不見，可它卻無處不在.地震、火山爆發(fā)、風(fēng)暴、海浪沖擊、槍炮發(fā)射、熱核爆炸等都會(huì)產(chǎn)生次聲波，科學(xué)家借助儀器可以“聽到”它。 次聲波的傳播速度和可聞聲波相同，由于次聲波頻率很低。大氣對(duì)其吸收甚小，當(dāng)次聲波傳播幾千千米時(shí)，其吸收還不到萬分之幾，所以它傳播的距離較遠(yuǎn)，能傳到幾千米至十幾萬千米以外。1883年8月，南蘇門答臘島和爪哇島之間的克拉卡托火山爆發(fā)，產(chǎn)生的次聲波繞地球三圈，全長十多萬公里，歷時(shí)108小時(shí).1961年，蘇聯(lián)在北極圈內(nèi)新地島進(jìn)行核試驗(yàn)激起的次聲波繞地球轉(zhuǎn)了5圈。 次聲波還具有很強(qiáng)的穿透能力，可以穿透建筑物、掩蔽所、坦克、船只等障礙物.7 000 Hz的聲波用一張紙即可阻擋，而7 Hz的次聲波可以穿透十幾米厚的鋼筋混凝土.地震或核爆炸所產(chǎn)生的次聲波可將岸上的房屋摧毀.次聲如果和周圍物體發(fā)生共振，能放出相當(dāng)大的能量，如4 Hz~8 Hz的次聲能在人的腹腔里產(chǎn)生共振，可使心臟出現(xiàn)強(qiáng)烈共振和肺壁受損。 次聲波會(huì)干擾人的神經(jīng)系統(tǒng)正常功能，危害人體健康。一定強(qiáng)度的次聲波，能使人頭暈、惡心、嘔吐、喪失平衡感甚至精神沮喪。有人認(rèn)為，暈車、暈船就是車、船在運(yùn)行時(shí)伴生的次聲波引起的。住在十幾層高的樓房里的人，遇到大風(fēng)天氣，往往感到頭暈、惡心，這也是因?yàn)榇箫L(fēng)使高樓搖晃產(chǎn)生次聲波的緣故。更強(qiáng)的次聲波還能使人耳聾、昏迷、精神失常甚至死亡。 從20世紀(jì)50年代起，核武器的發(fā)展對(duì)次聲學(xué)的建立起了很大的推動(dòng)作用，使得對(duì)次聲接收、抗干擾方法、定位技術(shù)、信號(hào)處理和傳播等方面的研究都有了很大的發(fā)展，次聲的應(yīng)用也逐漸受到人們的注意.其實(shí)，次聲的應(yīng)用前景十分廣闊，大致有以下幾個(gè)方面: 1.研究自然次聲的特性和產(chǎn)生機(jī)制，預(yù)測(cè)自然災(zāi)害性事件.例如臺(tái)風(fēng)和海浪摩擦產(chǎn)生的次聲波，由于它的傳播速度遠(yuǎn)快于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度，因此，人們利用一種叫“水母耳”的儀器，監(jiān)測(cè)風(fēng)暴發(fā)出的次聲波，即可在風(fēng)暴到來之前發(fā)出警報(bào).利用類似方法，也可預(yù)報(bào)火山爆發(fā)、雷暴等自然災(zāi)害. 2.通過測(cè)定自然或人工產(chǎn)生的次聲在大氣中傳播的特性，可探測(cè)某些大規(guī)模氣象過程的性質(zhì)和規(guī)律.如沙塵暴、龍卷風(fēng)及大氣中電磁波的擾動(dòng)等. 3.通過測(cè)定人和其他生物的某些器官發(fā)出的微弱次聲的特性，可以了解人體或其他生物相應(yīng)器官的活動(dòng)情況.例如人們研制出的“次聲波診療儀”可以檢查人體器官工作是否正常. 4.次聲在軍事上的應(yīng)用，利用次聲的強(qiáng)穿透性制造出能穿透坦克、裝甲車的武器，次聲武器--般只傷害人員，不會(huì)造成環(huán)境污染。 1890年， 一艘名叫“馬爾波羅號(hào)”帆船在從新西蘭駛往英國的途中，突然神秘地失蹤了. 20年后，人們?cè)诨鸬貚u海岸邊發(fā)現(xiàn)了它.奇怪的是:船上的開都原封未動(dòng).完好如初.船長航海日記的字跡仍然依稀可辨;就連那些死已多年的船員，也都“各在其位”，保持著當(dāng)年在崗時(shí)的“姿勢(shì)”; 1948年初，一艘荷蘭貨船在通過馬六甲海峽時(shí)，一場(chǎng)風(fēng)暴過后，全船海員莫名其妙地死光;在匈牙利鮑拉得利山洞入口， 3名旅游者齊刷刷地突然倒地，停止了呼吸...... 上述慘案，引起了科學(xué)家們的普遍關(guān)注，其中不少人還對(duì)船員的遇難原因進(jìn)行了長期的研究.就以本文開頭的那樁慘案來說，船員們是怎么死的?是死于天火或是雷擊的嗎?不是，因?yàn)榇蠜]有絲毫燃燒的痕跡;是死于海盜的刀下的嗎?不!遇難者遺骸上看到死前打斗的跡象;是死于饑餓干渴的嗎?也不是!船上當(dāng)時(shí)貯存著足夠的食物和淡水.至于前面提到的第二樁和第三樁慘案，是自殺還是他殺?死因何在?兇手是誰?檢驗(yàn)的結(jié)果是:在所有遇難者身上，都沒有找到任何傷痕，也不存在中毒跡象.顯然，謀殺或者自殺之說已不成立.那么，是以及病一類心腦血管疾病的突然發(fā)作致死的嗎?法醫(yī)的解剖報(bào)告表明，死者生前個(gè)個(gè)都很健壯! 經(jīng)過反復(fù)調(diào)查，終于弄清了制造上述慘案的“兇手”，是一種為人們所不很了解的次聲的聲波.次聲波是一種每秒鐘振動(dòng)數(shù)很少，人耳聽不到的聲波.次聲的聲波頻率很低，一般均在20赫茲以下，波長卻很長，傳播距離也很遠(yuǎn).它比一般的聲波、光波和無線電波都要傳得遠(yuǎn).例如，頻率低于1赫的次聲波，可以傳到幾千以至上萬公里以外的地方.1960年，南美洲的智利發(fā)生大地震，地震時(shí)產(chǎn)生的次聲波傳遍了全世界的每一個(gè)角落!1961年，蘇聯(lián)在北極圈內(nèi)進(jìn)行了一次核爆炸，產(chǎn)生的次聲波竟繞地球轉(zhuǎn)了5圈之后才消失! 次聲波具有極強(qiáng)的穿透力，不僅可以穿透大氣、海水、土壤，而且還能穿透堅(jiān)固的鋼筋水泥構(gòu)成的建筑物，甚至連坦克、軍艦、潛艇和飛機(jī)都不在話下.次聲穿透人體時(shí)，不僅能使人產(chǎn)生頭暈、煩躁、耳鳴、惡心、心悸、視物模糊，吞咽困難、胃痛、肝功能失調(diào)、四肢麻木，而且還可能破壞大腦神經(jīng)系統(tǒng)，造成大腦組織的重大損傷.次聲波對(duì)心臟影響最為嚴(yán)重，最終可導(dǎo)致死亡. 為什么次聲波能致人于死呢? 原來，人體內(nèi)臟固有的振動(dòng)頻率和次聲頻率相近似(0.01~20赫)，倘若外來的次聲頻率與體內(nèi)臟的振動(dòng)頻率相似或相同，就會(huì)引起人體內(nèi)臟的“共振”，從而使人產(chǎn)生上面提到的頭暈、煩躁、耳鳴、惡心等等一系列癥狀.特別是當(dāng)人的腹腔、胸腔等固有的振動(dòng)頻率與外來次聲頻率一致時(shí)，更易引起人體內(nèi)臟的共振，使人體內(nèi)臟受損而喪命.前面開頭提到的發(fā)生在馬六甲海峽的那樁慘案，就是因?yàn)檫@艘貨船在駛近該海峽時(shí)，恰遇上海上起了風(fēng)暴.風(fēng)暴與海浪摩擦，產(chǎn)生了次聲波.次聲波使人的心臟及其它內(nèi)臟劇烈抖動(dòng)、狂跳，以致血管破裂，最后促使死亡. 次聲雖然無形，但它卻時(shí)刻在產(chǎn)生并威脅著人類的安全.在自然界，例如太陽磁暴、海峽咆哮、雷鳴電閃、氣壓突變;在工廠，機(jī)械的撞擊、摩擦;軍事上的原子彈、氫彈爆炸試驗(yàn)等等，都可以產(chǎn)生次聲波. 由于次聲波具有極強(qiáng)的穿透力，因此，國際海難救助組織就在一些遠(yuǎn)離大陸的島上建立起“次聲定位站”，監(jiān)測(cè)著海潮的洋面.一旦船只或飛機(jī)失事附海，可以迅速測(cè)定方位，進(jìn)行救助. 近年來，一些國家利用次聲能夠“殺人”這一特性，致力次聲武器--次聲炸彈的研制盡管眼下尚處于研制階段，但科學(xué)家們預(yù)言;只要次聲炸彈一聲爆炸，瞬息之間，在方圓十幾公里的地面上，所有的人都將被殺死，且無一能幸免.次聲武器能夠穿透15米的混凝土和坦克鋼板.人即使躲到防空洞或鉆進(jìn)坦克的“肚子”里，也還是一樣地難逃殘廢的厄運(yùn).次聲炸彈和中子彈一樣，只殺傷生物而無損于建筑物.但兩者相比，次聲彈的殺傷力遠(yuǎn)比中子彈強(qiáng)得多.