聲波

2019-11-10 17:42:36

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

聲波

（物理名詞）

編輯發(fā)聲體產(chǎn)生的振動(dòng)在空氣或其他物質(zhì)中的傳播叫做聲波。聲波借助各種介質(zhì)向四面八方傳播。聲波是一種縱波，是彈性介質(zhì)中傳播著的壓力振動(dòng)。但在固體中傳播時(shí)，也可以同時(shí)有縱波及橫波。中文名聲波外文名Sound Wave，Acoustic Wave產(chǎn) 生物體（聲源）振動(dòng)實(shí) 質(zhì)機(jī)械波

1簡介2種類3與正弦波、沖擊波、縱波的聯(lián)系?與正弦波的關(guān)系?與沖擊波的區(qū)別?與縱波的關(guān)系4傳播?傳播介質(zhì)?傳播原理5波形測量6如何互相作用7衰減?擴(kuò)散衰減?吸收衰減?散射衰減8應(yīng)用?應(yīng)用原理?聲波之用

簡介

編輯聲波（Sound Wave 或 Acoustic Wave）是聲音的傳播形式。聲波是一種機(jī)械波，由物體（聲源）振動(dòng)產(chǎn)生，聲波傳播的空間就稱為聲場。在氣體和液體介質(zhì)中傳播時(shí)是一種縱波，但在固體介質(zhì)中傳播時(shí)可能混有橫波。人耳可以聽到的聲波的頻率一般在20Hz（赫茲）至20000Hz之間。聲波可以理解為介質(zhì)偏離平衡態(tài)的小擾動(dòng)的傳播。這個(gè)傳播過程只是能量的傳遞過程，而不發(fā)生質(zhì)量的傳遞。如果擾動(dòng)量比較小，則聲波的傳遞滿足經(jīng)典的波動(dòng)方程，是線性波。如果擾動(dòng)很大，則不滿足線性的聲波方程，會(huì)出現(xiàn)波的色散，和激波的產(chǎn)生。

表現(xiàn)為可視化波形的聲波聲音始于空氣中的振動(dòng)，如吉他弦、人的聲帶或揚(yáng)聲器紙盆產(chǎn)生的振動(dòng)。這些振動(dòng)一起推動(dòng)鄰近的空氣分子，而輕微增加空氣壓力。壓力下的空氣分子隨后推動(dòng)周圍的空氣分子，后者又推動(dòng)下一組分子，依此類推。高壓區(qū)域穿過空氣時(shí)，在后面留下低壓區(qū)域。當(dāng)這些壓力波的變化到達(dá)人耳時(shí)，會(huì)振動(dòng)耳中的神經(jīng)末梢，我們將這些振動(dòng)聽為聲音。^[1]

種類

編輯按頻率分類，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率20Hz~20kHz的聲波稱為可聞聲；頻率20kHz~1GHz的聲波稱為超聲波；頻率大于1GHz的聲波稱為特超聲或微波超聲。

與正弦波、沖擊波、縱波的聯(lián)系

編輯

與正弦波的關(guān)系

正弦波是最簡單的波動(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。

這是聲波的震蕩波形。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。

與沖擊波的區(qū)別

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。

與縱波的關(guān)系

“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，原因是氣體及相當(dāng)多的液體（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。

傳播

編輯

傳播介質(zhì)

除了空氣，水、金屬、木頭等彈性介質(zhì)也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好介質(zhì)。在真空狀態(tài)中因?yàn)闆]有任何彈性介質(zhì)，所以聲波就不能傳播了。

傳播原理

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。

波形測量

編輯

左側(cè)為單個(gè)周期；右側(cè)為完整的 20 Hz 波形幾個(gè)測量值描述了波形：1.振幅反映從波形波峰到波谷的壓力變化。高振幅波形的聲音較大；低振幅波形的聲音較安靜。2.周期描述單一、重復(fù)的壓力變化序列，從零壓力，到高壓，再到低壓，最后恢復(fù)為零。3.頻率以赫茲（Hz）為單位測量，描述每秒周期數(shù)。例如，1000 Hz 波形每秒有 1000 個(gè)周期。頻率越高，音樂音調(diào)越高。4.相位以度為單位測量，共 360o，表示周期中的波形位置。零度為起點(diǎn)，隨后 90o 為高壓點(diǎn)，180o 為中間點(diǎn)，270o 為低壓點(diǎn)，360o 為終點(diǎn)。相位也可以弧度為單位。弧度是角的國際單位，符號(hào)為rad。注意：由于兩條射線從圓心向圓周射出，形成一個(gè)夾角和夾角正對(duì)的一段弧。當(dāng)這段弧長正好等于圓的半徑時(shí)，兩條射線的夾角的弧度被定義為1rad。當(dāng)半徑一定時(shí)，圓心角正比于弧長。于是，可以用弧長與半徑的比值表示角度。而弧長與半徑的國際單位都是m，在計(jì)算二者之比時(shí)要約掉，因此弧度制實(shí)質(zhì)上就是用實(shí)數(shù)表示角度的單位制，單位rad純粹是為了表述方便人為給出的。因此，在實(shí)際求解中符號(hào)rad一般直接省略。5.波長以英寸（in）或厘米（cm）等單位測量，是具有相同相位度的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離。波長隨頻率的增加而減少。^[1]

如何互相作用

編輯在兩個(gè)或更多聲波相遇時(shí)，它們會(huì)彼此相加和減去。如果它們的波峰和波谷完全同相，則互相加強(qiáng)，因此產(chǎn)生的波形的振幅高于任何單個(gè)波形的振幅。如果兩個(gè)波形的波峰和波谷完全異相，則會(huì)相互抵消，導(dǎo)致完全沒有波形。然而，在大多數(shù)情況下，各種聲波會(huì)存在不同程度的異相，產(chǎn)生比單個(gè)波形更復(fù)雜的組合波形。例如，表示音樂、語音、噪聲和其他聲音的復(fù)雜波形結(jié)合了各種聲音的波形。因?yàn)槠洫?dú)特的物理結(jié)構(gòu)，單個(gè)樂器可以產(chǎn)生極復(fù)雜的聲波。這就是小提琴和小號(hào)即使演奏相同音符但聽起來不同的原因。^[1]

同相聲波互相加強(qiáng)

異相聲波互相抵消

兩個(gè)簡單的聲波組合成復(fù)雜的聲波

衰減

編輯一個(gè)聲音在傳播過程中將越來越微弱，這就是聲波的衰減。造成聲波衰減的原因有以下三個(gè)：

擴(kuò)散衰減

物體振動(dòng)發(fā)出的聲波向四周傳播，聲波能量逐漸擴(kuò)散開來。能量的擴(kuò)散使得單位面積上所存在的能量減小，聽到的聲音就變得微弱。單位面積上的聲波能量隨著聲源距離的平方而遞減。

吸收衰減

聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。介質(zhì)的這種衰減稱為吸收衰減。通常認(rèn)為，吸收衰減與聲波頻率的一次方、頻率的平方成正比。

散射衰減

當(dāng)介質(zhì)中存在顆粒狀結(jié)構(gòu)（如液體中的懸浮粒子、氣泡，固體中的顆粒狀結(jié)構(gòu)、缺陷、攙雜物等）而導(dǎo)致的聲波的衰減稱散射衰減。通常認(rèn)為當(dāng)顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于波長時(shí)，散射衰減與頻率的四次方成正比；當(dāng)顆粒尺寸與波長相近時(shí)，散射衰減與頻率的平方成正比。^[2]

應(yīng)用

編輯

應(yīng)用原理

次聲波的傳播速度和可聽聲波相同，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)108h．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。

聲波之用

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．通過測定自然或人工產(chǎn)生的次聲在大氣中傳播的特性，可探測某些大規(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。詞條圖冊(cè)更多圖冊(cè)