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发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波借助各种介质向四面八方传播。声波是一种纵波,是弹性介质中传播着的压力振动。但在固体中传播时,也可以同时有纵波及横波。
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3 I# s) `+ `6 [. h2 |# j% u2 C8 n声波(Sound Wave 或 Acoustic Wave)是声音的传播形式。声波是一种机械波,由物体(声源)振动产生,声波传播的空间就称为声场。在气体和液体介质中传播时是一种纵波,但在固体介质中传播时可能混有横波。人耳可以听到的声波的频率一般在20赫兹至20000赫兹之间。4 q2 }0 k" r/ b
声波可以理解为介质偏离平衡态的小扰动的传播。这个传播过程只是能量的传递过程,而不发生质量的传递。如果扰动量比较小,则声波的传递满足经典的波动方程,是线性波。如果扰动很大,则不满足线性的声波方程,会出现波的色散,和激波的产生。
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$ M" L' w* w+ B1 S; ]2 x声音始于空气中的振动,如吉他弦、人的声带或扬声器纸盆产生的振动。这些振动一起推动邻近的空气分子,而轻微增加空气压力。压力下的空气分子随后推动周围的空气分子,后者又推动下一组分子,依此类推。高压区域穿过空气时,在后面留下低压区域。当这些压力波的变化到达人耳时,会振动耳中的神经末梢,我们将这些振动听为声音。
' M& Z3 {2 o% {8 I种类
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3 p' r( U+ s5 \* }9 [7 B) U按频率分类,频率低于20Hz的声波称为次声波;频率20Hz~20kHz的声波称为可听波;频率20kHz~1GHz的声波称为超声波;频率大于1GHz的声波称为特超声或微波超声。8 W" C% p2 k# j. }, l
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与正弦波、冲击波、纵波的联系7 d1 z. ]) O7 z/ _: u1 c, X
- @2 `" A# u) K与正弦波的关系% [# }" {, E; N/ c7 p
正弦波是最简单的波动形式。优质的音叉振动发出声音的时候产生的是正弦声波。& ?$ I B" M2 Y# P9 M9 Z ^
3 r4 D9 p. D$ {; _- P- A正弦声波属于纯音。任何复杂的声波都是多种正弦波叠加而成的复合波,它们是有别于纯音的复合音。正弦波是各种复杂声波的基本单元。
4 d8 I* O: K9 _* Y与冲击波的区别
a( c; j) u1 s# [请注意,声波不是冲击波,声波前进的过程是相邻空气粒子之间的接力赛,它们把波动形式向前传递,它们自己仍旧在原地振荡,也就是说空气粒子并不跟着声波前进!同样,在语音研究中要区分气流与声波,它们是两回事。在发音器官里,声带、舌尖或小舌的颤动,以及辅音噪声的形成等,都离不开气流的作用,但是气流不是声波的代名词。所谓“*浊音气流”、“*清音气流”的说法似乎包含了极其含混的意思。
; g# ?" q6 p6 }) B1 h另外,即使没有其他声源体的作用,空气粒子总是在做无规则的震荡,或者说它们总是在骚动,它们激发起微弱的“白噪声”。绝对静寂的大气空间是不存在的。所谓背景噪声还包括自然界或人类生活环境里许多声源体杂乱的声音,对于言语交际来说它们没有信息价值。居室四壁或陡峭的山坡还有回声效应,噪声被放大、被增强了。言语声和它的滞后的回声叠加在一起,变成复杂的回响声。电声仪器设备里也都有白噪声。那种没有通信价值的噪声很强烈的时候人们会心烦意乱。有意思的是,在噪声极小的消声室待久了,人会感到不安宁。音乐中恰当使用沙锤之类的噪声带来的是艺术欣赏价值。人类语言里的许多辅音都包含噪声,它们很重要,能够起区分辅音的作用。
, N0 Z$ {/ {- b! I7 T9 }" ?与纵波的关系+ u' S: c: T( v" _ V
“声源”在空气中振动时,一会儿压缩空气,使其变得“稠密”;一会儿空气膨胀,变得“稀疏”,形成一系列疏、密变化的波,将振动能量传送出去。这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波,称为“纵波”。" p( y2 ]. s4 B8 ?% m& |0 P
不过要注意,声波虽然一般是纵波,但在固体中传播时,也可以同时有纵波及横波,横波速度约为纵波速度的50%-60%。在空气中的声波是纵波,原因是气体及相当多的液体(合称流体)不能承受切力,因此声波在流体中传播时不可能为横波;但固体不仅可承受压(张)应力,也可以承受切应力,因此在固体中可以同时有纵波及横波。
3 x6 F9 ~- y, X3 F: H地震波其实就是在地壳中传播的声波(确切讲是次声波),只是它的频率通常不在我们可听闻的范围内(某些动物则听闻得到) 虽然次声波看不见,听不见,可它却无处不在.地震、火山爆发、风暴、海浪冲击、枪炮发射、热核爆炸等都会产生次声波,科学家借助仪器可以“听到”它。
8 B3 S! N/ l$ ^* c传播介质, W1 e' @3 ^* K9 j! e2 X
除了空气,水、金属、木头等弹性介质也都能够传递声波,它们都是声波的良好介质。在真空状态中因为没有任何弹性介质,所以声波就不能传播了。; h# s; m0 V1 _% @8 F W9 \
传播原理
7 b- }5 w( j k5 c扬声器、各种乐器以及人和动物的发音器官等都是声源体。地震震中、闪电源、雨滴、刮风、随风飘动的树叶、昆虫的翅膀等各种可以活动的物体都可能是声源体。它们引起的声波都比正弦波复杂,属于复合波。地震产生多种复杂的波动,其中包括声波,实际上那种声波本身是人耳听不着的,它的频率太低了(例如1Hz)。, u+ Y2 I! a4 P
人对声音的感觉有一定频率范围,大约每秒钟振动20次到20000次范围内,即频率范围是20Hz--20000Hz,如果物体振动频率低于20Hz或高于20000Hz人耳就听不到了,高于20000Hz的频率就叫做超声波,而低于20Hz的频率就叫做次声波。所以说不是所有物体的振动所发出的声音我们都能听到的。另外要能听到声音也必须有传播声音的介质。
5 H( i( z5 ~) d5 p声波是大气压力之外的一种超压变化。
/ N6 {$ F* j% o7 w2 y2 s空气粒子振动的方式跟声源体振动的方式一致,当声波到达人的耳鼓的时候就引起耳鼓同样方式的振动。驱动耳鼓振动的能量来自声源体,它就是普通的机械能。不同的声音就是不同的振动方式,它们能够起区别不同信息的作用。人耳能够分辨风声、雨声和不同人的声音,也能分辨各种言语声,它们都是来自声源体的不同信息波。
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波形测量( s0 |0 y0 l% L1 v; e6 e
3 G/ X/ _$ D3 F7 I* E$ \4 u几个测量值描述了波形:
1 T+ ]( n6 R$ ]4 N9 Z1,振幅$ L& C3 v6 A+ {3 c/ D7 m) T$ t0 B
反映从波形波峰到波谷的压力变化。高振幅波形的声音较大;低振幅波形的声音较安静。
# [% Z2 w5 z3 S2,周期, P* U, W! X2 \! r5 J# ]
描述单一、重复的压力变化序列,从零压力,到高压,再到低压,最后恢复为零。+ L! l9 M5 W) _: V( k7 ~- `
3,频率7 A- R+ {& `5 I: ?) }; Z" X& @
以赫兹 (Hz) 为单位测量,描述每秒周期数。(例如,1000 Hz 波形每秒有 1000 个周期。)频率越高,音乐音调越高。% [4 E$ B( S- ~6 ^# T
4,相位
7 i2 D6 g1 X3 w: z# |) X" K以度为单位测量,共 360 度,表示周期中的波形位置。零度为起点,随后 90o 为高压点,180o 为中间点,270o 为低压点,360o 为终点。1 U/ s% o7 J# n6 b2 p
5,波长2 j# ?0 J3 [/ o: f& i" E
以英寸或厘米等单位测量,是具有相同相位度的两个点之间的距离。波长随频率的增加而减少。6 s u( D ]! D9 x1 f$ Z
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