波的幹涉當兩個或兩個以上波源發出的頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的波在空間疊加時,在重疊區域的不同地方振動加強或減弱,這種現象稱為“波幹涉”。滿足上述條件的波源稱為相幹波源,其發出的波稱為相幹波。這是波的疊加中最簡單的情況。
兩個相幹波疊加後,在疊加區域的每個位置都有壹定的振幅。在某些位置,振幅等於兩種波分別引起的振動的振幅之和,這些位置的組合振動最強。稱為“建設性幹涉”;但有些位置的振幅等於兩個波分別引起的振動的振幅之差,這些位置的組合振動最弱,稱為“相消幹涉”。這是波的壹個重要特征。
反射波從壹種介質到達與另壹種介質的界面時,又返回到原介質的現象。比如聲波遇到障礙物,它遵守反射定律。在同壹種介質中,由於介質的不均勻性,波會回到原來的密度介質中,即會發生反射。
在傳播過程中,當波的折射波從壹種介質進入另壹種介質時,傳播方向發生偏轉,稱為波折射。在同壹種介質中,由於介質本身的不均勻性,波的傳播方向也會發生變化。這種現象也被稱為波折射。它也遵守波的折射定律。
聲學物理學的壹個分支,研究聲波的產生、傳播、接收和功能。根據研究方法、對象和頻率範圍的不同,它與許多其他學科交叉,形成許多獨特的邊緣學科,如大氣聲學、水聲學、電聲、生物聲學、心理聲學、語言聲學、建築聲學、環境聲學、幾何聲學、物理聲學、生理聲學、分子聲學、聲能、超聲、次聲學、微聲學、音樂聲學等等。隨著現代工業的發展,聲學是經典聲學、電子技術和各種工業應用相結合的產物,並隨著工業的發展而不斷發展。
這種聲音就是“節奏聲”。具有單壹基頻的聲音。純音(或純音)有近乎單壹的共振波形。這種節奏可以由音叉產生。樂器產生復雜的音調,可以分解成壹個基頻和壹些更高頻率的泛音。參見“語音”。
聲源向周圍介質輻射聲波的振動系統稱為“聲源”。比如二胡、小提琴等弦樂器靠琴弦的振動發聲;笛子等管樂器靠氣柱振動發聲;膜狀樂器如鑼和鼓通過板或膜的振動發聲;唱歌或者說話都是靠喉嚨聲帶的振動。任何發出聲音的東西都是振動的,所以各種振動的物體稱為聲源。固體、液體、氣體都可以振動產生聲音,都可以看作聲源。
在聲彈性介質中,每個質點振動的傳播過程稱為“聲波”。這是機械波。由發聲器發出的聲波,振動頻率在20 Hz到20000 Hz之間,能引起人的聽覺,所以也叫可聽聲波。頻率為10-4 ~ 20 Hz的機械波稱為次聲波,頻率為2× 104 ~ 2× 108 Hz的機械波稱為超聲波。次聲波和超聲波壹般不會引起人的聽覺。從物理的角度來看,20 ~ 20000 Hz頻率的聲振動和這個頻率以外的聲振動沒有本質的區別。所以廣義的聲波包括次聲波和超聲波。能否喚起人的聽覺,並不完全取決於機械波的頻率,還與聲音強度有關。聲波在固體中以縱波和橫波的形式傳播,而在液體和氣體中,只能以縱波的形式傳播。
聲速也叫音速。指聲音在介質中傳播的速度。它與密度、彈性系數和介質的狀態有關。在固體中,聲波可以以兩種形式傳播:縱波和橫波。縱波的傳播速度是多少?V= E比ρ好(打不出來,o(∩_∩)o?抱歉,只是理解)
e是固體的彈性模量,ρ是它的密度。
在氣體和液體中,聲波是縱波,它們的傳播速度(和縱波壹樣,不是打出來的)。
k是介質的體積彈性模量。
聲音在空氣中的傳播速度隨著溫度的升高而增大,這與絕對溫度t的傳播速度相似。
其中r是恒壓比熱Cp與定容比熱Cv的比值,r是氣體常數。通常由以下公式表示
vt = 331.45+0.6升
Vt是t℃時聲音在空氣中的速度,單位為米/秒,331.45米/秒是聲音在0℃時在空氣中的速度。溫度每上升65438±0℃,聲速增加約0.6 m/s。
聲波的反射聲源發出的聲波在傳播過程中遇到障礙物時被反射回來,稱為“聲波反射”。北京天壇公園的回音壁,山谷裏的回聲,雷聲,建築裏的混響,都是聲波反射造成的不同情況。
回聲當聲音投射在離聲源壹定距離的大面積上時,壹部分聲能被吸收,而另壹部分聲能被反射回來。如果聽者聽到了,就是聲源直接發出來的。
聲音,這種反射的聲音叫做“回聲”如果聲速已知,通過測量聲音發射到聲音反射的時間間隔,就可以計算出反射面到聲源的距離。基於這壹原理,設計了壹種用於測量海水深度的水聲定位儀。回聲是山谷或大廳中常見的現象。夏天,雷聲隆隆,也是雷聲穿過天空中濃密的雲層多次反射的回聲。廣義地說,所有其他這種性質的信號都是回聲。例如反射的超聲波信號。使用回聲探測儀、水聲定向儀、超聲波探傷儀等。用回聲制造,魚群用聲波探測,或者地下油礦用爆炸聲波在地面的反射探測。
混響聲源停止工作後,聲音延續現象稱為“混響”。在各種建築中,聲波通過墻壁和天花板被多次反射和吸收。混響的持續時間與反射聲波的材料對聲波的吸收有關。如果壹次只吸收壹小部分聲能,會延長混響時間,使聲音前後重疊,不清晰。如果混響時間過短,雖然聲音分辨清晰,但讓人感覺沈悶單調,不適合音樂演奏的效果,影響演奏的欣賞性。壹般合適的時間在1 ~ 2秒之間,減少混響時間60分貝。各種物質的吸聲性能用吸聲系數來表示,吸聲系數是吸收的聲能占入射波能量的百分比。柔軟多孔的材料吸聲系數大,堅硬光滑的材料吸聲系數小。因此,混響時間是建築物的壹個重要聲學特性。比如首都劇場,滿座時混響時間是1.36秒,空座時是3.3秒。北京人民大會堂的混響時間,滿座時為1.6秒,空座時為3秒。
音叉可以演示聲波的幹涉。音叉的兩個叉是兩個相同的波源。音叉發聲時,輻射的兩個波發生幹涉,使音叉繞叉柄縱軸旋轉,或者音叉不動。當我們在發出聲音的音叉周圍走動時,我們會聽到音叉的聲音變強變弱。當音叉產生的兩個波發生幹涉時,會出現交替的加強區和減弱區。在加強區,空氣的振動加強了,我們聽到的聲音也強了。在減弱的區域,空氣的振動減弱,我們聽到的聲音也變弱。聲波的幹涉是指兩串頻率相同的連續聲波在同壹區域相遇並重疊的現象,這種現象只有在特定條件下才會發生,並不是普遍現象。
聲波的衍射壹般情況下,有些聲波是直線傳播的,有些則是明顯的衍射。因為聲波的波長約為1.7 cm至17 m,接近普通室內障礙物、門窗等的大小。當聲波在傳播過程中遇到與聲波波長相同的障礙物時,聲波可以繞過障礙物,在障礙物後面通過,即發生衍射。
* * *如果發聲裝置的頻率與外界聲音的頻率相同,會因* * *振動的作用而發聲。這種* * *振動的現象在聲學上叫做“* * *聲”。許多樂器使用振動器和空氣柱的聲音來增強樂器產生的聲音。將兩個* * *發聲盒相對放置(盒口相對),然後在壹個* * *發聲盒上輕敲音叉。壹段時間後,用手握住輕敲的音叉,使其停止振動。此時可以聽到另壹個* * *發聲盒沒有被敲擊的聲音,從而確認* * *發聲的產生。因為兩個* * *發聲盒中的壹個振動,附近的空氣向四周擴散,另壹個* * *發聲盒和音叉響,所以也能發出聲音。當兩個物體的固有頻率相同,或者其中壹個是另壹個作為聲源的固有頻率的整數倍時,就會發生* *。音叉下附的音箱起到加強聲音的作用。小提琴、琵琶、二胡等弦樂器的琴身或琴筒也具有音箱的功能。曾幾何時,搭建的舞臺經常在臺下放置幾個大桶,也是利用* * *的聲音,讓舞臺上的演員和樂器發出的聲音造成響亮圓潤的效果。
氣柱在細玻璃管的壹端吹氣,或者在管口處放置振動音叉,可以聽到管內空氣的聲音。也就是說,管內的氣柱由於自身的振動而成為壹個發聲體。如果玻璃管的下端與盛水漏鬥的橡膠管相通。在管口附近放壹個頻率為V的振動音叉,上下移動漏鬥,改變管內空氣柱的長度。在壹定的長度上可以聽到最大的聲音,因為管內的空氣柱在音叉產生的連續正弦聲壓的振動下被迫振動,當音叉的振動頻率與空氣柱的固有振動頻率重合時,就發生了* *振動。慢慢調整,使管內水位繼續下降,在其他幾個合適的氣柱長度下,聲音的強度可以達到最大。這種由於聲波的作用而引起管內空氣柱* * *振動的現象稱為* * *聲。空氣柱的長度l與聲波的波長λ具有以下關系:
因為聲源音叉的頻率v是固定的,空氣柱中的聲速v有壹個確定的值,所以可以從* * *振動發生的特定波長λ=u/v得到振鈴頻率。利用空氣柱聲可以方便地測量聲波的波長,並計算聲速。
音叉是壹種聲學樂器。它由鋼制成,形狀像字母U,但又細又長。下端的手柄插入壹端開口的空木盒中,增加發音強度。當音叉的振動頻率不變時,它的音高也不變,它的振動是桿的振動,它的聲音極其清晰。因此常被作為衡量聲調的標準。用橡膠錘輕敲音叉上端,它的兩個音叉左右振動發出聲音。音叉的音高取決於其音叉的長度和粗細。細長的大腿臂振動緩慢,聲音較低;那些大腿臂又短又粗的振動很快,音調很高。
壹般音叉的振動不容易產生泛音振動,偶爾發生泛音振動,又因為桿的阻抗大而立即降低,所以音叉容易產生基波振動。音叉振動時也有幹涉,其兩個音叉的振動同時向內或向外。如果兩個分叉同時向內振動,A在中間比較密集,如圖1-33,而分叉外側的B和B '比較稀疏。當兩個分叉同時向外振動時,中間變得稀疏,而B和B '變得密集。因為音叉的兩個音叉振動的振幅、波長或頻率是相等的,所以圖1-33中虛線所示的位置在密度相遇發生幹涉時是無聲的。這樣可以把振動音叉放到耳朵上,慢慢轉動,找到這樣壹個無聲區的位置。
音叉可以長時間保持其聲音的頻率不變,振動的幅度和溫度都不容易改變頻率。音叉的頻率高達每秒9萬周。通常音叉由鋼或彈性鋼制成。由於音叉體積不大,聲音的輸出很少傳到空氣中,而且由於它的振動方式,只有極少量的縱波成分沿著叉柄振動,所以振動系統很少被堵塞。用音叉的木柄連接* * *蜂鳴器可以增加聲音輸出,而且由於* * *蜂鳴器和音叉的泛音不壹樣,只有音高產生* * *蜂鳴器。音叉有很多用途,在給樂器調音的時候用作調音標準。
聲音的音高稱為“音高”。音高主要取決於聲波的頻率。當聲波的強度增大時,也會使相同頻率的聲波具有更高的音高。通常樂器發出的聲波不是單音或者純音,而是有其波形的復雜性,所以音高其實是由很多因素決定的。樂音和噪音的區別在於樂音是有壹定頻率的,而噪音的頻率是不斷變化的,讓人感受到音調變化的迅速。音調上有音高和泛音的區別,即泛音的振動頻率是音高的整數倍,包括第壹泛音、第二泛音等等。在波動中,周期與頻率成反比,所以泛音周期比主周期短,它們的比值也是整數倍。
男性發音,其頻率約為90 ~ 140 Hz,聲音較低。女性發音的頻率在270 ~ 550 Hz左右,其聲音較高。人的耳朵器官能感受到的聲波頻率範圍因人而異。壹般人的聽覺範圍是50 ~ 50~15000Hz,靈敏聽覺範圍是20 ~ 20~20000Hz。人的口腔發聲大約是100 ~ 8000 Hz。各種樂器的頻率範圍為40 ~ 40~14000Hz,揚聲器的頻率為40 ~ 8000 Hz。如果聲音是由繃緊的弦發出的,弦越細、越短、越緊,音調就會越高;反之,調子就低了。
響度也叫音量。人耳感知的聲音強度是聲音的主觀量。響度取決於聲音接收處的振幅。對於同壹聲源,振幅傳播越遠,響度越小。當傳播距離不變時,聲源的振幅越大,響度越大。響度與聲強密切相關,但響度與聲強的關系不是簡單的線性關系,而是接近對數關系。當聲音的頻率和聲波的波形發生變化時,人對響度的感覺也會發生變化。
聲音的質量叫音色,也叫“音色”,是聲音的屬性之壹。它是由泛音的數量,泛音的頻率和振幅決定的。不同的樂器由於音色不同,在相同的基本振動頻率下仍能區分出各自的特點。比如二胡、秦越和琵琶的合奏,由於音色不同,人的聽覺可以分辨出各種樂器的名稱。
聲音的三要素音色、音調、響度是聲音的三個主要屬性,故稱為聲音三要素。
音高在復調中,頻率最低的聲音稱為“音高”。音樂的音調由音高的頻率決定。比如100Hz的鋼琴聲,不僅發出頻率為100Hz的聲音,還發出許多不同頻率的弱音。100Hz的純音稱為鋼琴音高。
泛音頻率為音高的整數倍或非整數倍1的其余純音稱為泛音。等於基音頻率整數倍的聲音也叫諧音。發出簡諧振動的發聲體發出非常簡單的純音。樂器發出的聲音壹般是由幾個頻率和振幅不同的純音組成的復調,其中頻率最低的純音稱為音高,還有頻率為音高整數倍的泛音。音樂的音調是由泛音的數量、頻率和振幅決定的。
聲壓聲波產生的壓力稱為“聲壓”。在聲波傳播的過程中,空氣中任意壹點附近的粒子,由於聲波的作用,有時會松散,有時會緊密,因此壓力也相應發生變化。聲波在空氣中傳播時該點的壓力與沒有聲音到達時的壓力之差,稱為該點的聲壓。聲壓的單位是帕斯卡,縮寫為Pa。聲壓的大小與聲波作用下傳聲介質中粒子的振動速度、介質的密度和聲波的傳播速度有關。如果ρ代表空氣密度,μ代表聲速,V代表空氣粒子的振動速度,則聲壓P為
P=pμv
微風吹動樹葉的聲壓約為0.01 Pa。在房間裏大聲說話的聲壓大約是0.1 Pa。
聲強聲波傳播的能流密度。即單位時間內通過垂直於傳播方向的單位面積的聲能。因為聲音的強弱與聲源的振幅有關。如果聲源的振幅大,單位時間傳遞的能量就大,所以聲波就更強。聲源在某壹點發出的聲波向外傳播,距離波源R處的聲強為
其中e為聲源每秒發出的能量,聲強I的單位為瓦特/平方米。聲強與聲音傳播的距離和響度有關,但響度與聲強的增加不是線性關系,兩者是有區別的。聲強是客觀事實,是聲強的物理量,不受人耳功能影響。但是,響度和人的感覺有關。聲波引起耳膜振動時,因人而異,對同壹種聲波的反應也不同。耳朵敏感的感覺響度,耳朵不好的感覺響度。對於不同頻率的聲波,耳感也是不同的。每壹種能引起正常聽力的聲波都需要壹定範圍的聲強。對於每壹個給定的頻率,要引起聽覺,其聲強也有兩個極值。根據正常聽力的實驗結果,如果以頻率為橫坐標,聲強為縱坐標,連接各種頻率的聲強上下限,低於下限的聲強是不能引起聽力的。任何超過上限的聲強都會讓人感到疼痛。所以上限曲線叫痛閾,下限曲線叫聽閾,兩條曲線之間的區域就是聽覺範圍。因此,所有能引起人聽覺的聲波,其頻率應在20 ~ 20000 Hz,聲強應在10-12w/m2 ~ 1w/m2。這說明聲強變化的幅度很大。
聲音強度的量度。聲強I與標準聲強I0之比的對數稱為聲強I的“聲強級”,用L表示,即
單位是貝爾,用貝爾表示。這個單位太大,不適合實際使用,所以常用貝爾的1/10,即分貝(用dB表示)作為單位,所以聲強級的表達式為
I0是聲強的參考標準。國際上選用I0=10-12W/m2,可以得到可聽閾的聲強值。
最柔和的聲音是0。通常通話時的聲強級為60 ~ 70dB。
用於演奏音樂、歌劇伴奏、電影音效等的樂器。壹般以發音來分類,比如管樂器:它的聲音是通過氣柱的振動來實現的。這類樂器有笙、管、笛、簫等;弦樂器,通過琴弦的振動發出聲音,如秦越、琵琶、小提琴、二胡、馬頭琴等;打擊樂器,如鼓、鑼、鈴、鈸、釵等。
樂音是聲源根據其周期性有規律地振動的聲音,悅耳動聽。它的波形圖是壹條周期曲線。樂器按照規律振動,這就是音樂;否則就是噪音和刺耳。樂音的三要素是音調、響度和聲調,分別反映了樂音的特征。
噪音是由聲源的不規則和非周期性振動產生的,或者是由不同強度和頻率的聲音的不規則組合產生的。比如車輛的發動機,喇叭的聲音,工地或工廠裏各種機器的噪音,嬰兒的啼哭聲和噪音,所有刺耳的聲音都是噪音,也叫噪音。對人們的生活和工作有很大的影響。噪音使人煩躁、疲倦、緊張、註意力分散。它影響人們的學習、工作、休息和睡眠,嚴重時引起疾病(如耳聾、心臟病)和事故。90dB是世界上聽力保護的最高極限。噪聲是目前汙染環境的三大公害(汙水、廢氣、噪聲)之壹。噪音沒有汙染物,不會積累。它汙染的面積很大,它的能量最終完全轉化為熱能並被轉移。因此,噪聲控制是環境保護的壹個極其重要的方面。
超聲波的頻率高於20000Hz,超過正常人能接收到的頻率上限,不能引起聽覺聲波。其頻率通常在2× 104 ~ 5× 108 Hz範圍內。它的傳播速度和聲波壹樣。超聲波由於頻率高,波長短,所以有很多特點:由於它在液體和固體中的衰減比在空氣中小,所以穿透力大;超聲波的方向性很強,聲波的波長大,在傳播過程中容易發生衍射,而超聲波的波長短,不容易發生衍射,會像光波壹樣沿直線傳播。超聲波遇到雜質會反射,遇到界面會折射。超聲波功率大,能量容易集中,對材料作用強,可用於焊接、切割、鉆孔、清洗零件等。工業上用於無損檢測,如探傷、測厚、測彈性模量,研究物質的微觀結構。在醫學上,可用於臨床檢測,如“b超”測量肝、膽、脾、腎等病變,或用於絕育、治療、診斷等;在航海和漁業中,它可用於導航、探測魚群、測量海洋深度等。超聲波廣泛應用於各個領域。
次聲波也叫次聲波。是20Hz以下的聲波,無法引起人的聽覺。它以與聲波相同的速度傳播。在許多自然變化中,如地震、臺風、海嘯和火山爆發,都會產生次聲波。核爆、噴氣式飛機飛行、行駛的車、船、壓縮機等過程中也會出現人為的二次聲源。所有的暈車、暈船也都是在車、船行駛時受到次聲波的影響。次聲波也可以用來監測和探測大氣變化。