声波

2019-11-10 18:18:10

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声波

（物理名词）

编辑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。中文名声波外文名Sound Wave，Acoustic Wave产生物体（声源）振动实质机械波

简介

编辑声波（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20Hz（赫兹）至20000Hz之间。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。

表现为可视化波形的声波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。^[1]

种类

编辑按频率分类，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率20Hz~20kHz的声波称为可闻声；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。

与正弦波、冲击波、纵波的联系

编辑

与正弦波的关系

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。

这是声波的震荡波形。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。

与冲击波的区别

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。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。

与纵波的关系

“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”。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。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。

传播

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传播介质

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。

传播原理

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)。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。声波是大气压力之外的一种超压变化。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。

波形测量

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左侧为单个周期；右侧为完整的 20 Hz 波形几个测量值描述了波形：1.振幅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。2.周期描述单一、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。3.频率以赫兹（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.相位以度为单位测量，共 360º，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。相位也可以弧度为单位。弧度是角的国际单位，符号为rad。注意：由于两条射线从圆心向圆周射出，形成一个夹角和夹角正对的一段弧。当这段弧长正好等于圆的半径时，两条射线的夹角的弧度被定义为1rad。当半径一定时，圆心角正比于弧长。于是，可以用弧长与半径的比值表示角度。而弧长与半径的国际单位都是m，在计算二者之比时要约掉，因此弧度制实质上就是用实数表示角度的单位制，单位rad纯粹是为了表述方便人为给出的。因此，在实际求解中符号rad一般直接省略。5.波长以英寸（in）或厘米（cm）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。^[1]

如何互相作用

编辑在两个或更多声波相遇时，它们会彼此相加和减去。如果它们的波峰和波谷完全同相，则互相加强，因此产生的波形的振幅高于任何单个波形的振幅。如果两个波形的波峰和波谷完全异相，则会相互抵消，导致完全没有波形。然而，在大多数情况下，各种声波会存在不同程度的异相，产生比单个波形更复杂的组合波形。例如，表示音乐、语音、噪声和其他声音的复杂波形结合了各种声音的波形。因为其独特的物理结构，单个乐器可以产生极复杂的声波。这就是小提琴和小号即使演奏相同音符但听起来不同的原因。^[1]

同相声波互相加强

异相声波互相抵消

两个简单的声波组合成复杂的声波

衰减

编辑一个声音在传播过程中将越来越微弱，这就是声波的衰减。造成声波衰减的原因有以下三个：

扩散衰减

物体振动发出的声波向四周传播，声波能量逐渐扩散开来。能量的扩散使得单位面积上所存在的能量减小，听到的声音就变得微弱。单位面积上的声波能量随着声源距离的平方而递减。

吸收衰减

声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能;同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。介质的这种衰减称为吸收衰减。通常认为，吸收衰减与声波频率的一次方、频率的平方成正比。

散射衰减

当介质中存在颗粒状结构（如液体中的悬浮粒子、气泡，固体中的颗粒状结构、缺陷、搀杂物等）而导致的声波的衰减称散射衰减。通常认为当颗粒的尺寸远小于波长时，散射衰减与频率的四次方成正比；当颗粒尺寸与波长相近时，散射衰减与频率的平方成正比。^[2]

应用

编辑

应用原理

次声波的传播速度和可听声波相同，由于次声波频率很低。大气对其吸收甚小，当

次声波传播几千千米时，其吸收还不到万分之几，所以它传播的距离较远，能传到几千米至十几万千米以外。1883年8月，南苏门答腊岛和爪哇岛之间的克拉卡托火山爆发，产生的次声波绕地球三圈，全长十多万公里，历时108h．1961年，苏联在北极圈内新地岛进行核试验激起的次声波绕地球转了5圈。次声波还具有很强的穿透能力，可以穿透建筑物、掩蔽所、坦克、船只等障碍物．7 000 Hz的声波用一张纸即可阻挡，而7 Hz的次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土．地震或核爆炸所产生的次声波可将岸上的房屋摧毁．次声如果和周围物体发生共振，能放出相当大的能量，如4 Hz～8 Hz的次声能在人的腹腔里产生共振，可使心脏出现强烈共振和肺壁受损。次声波会干扰人的神经系统正常功能，危害人体健康。一定强度的次声波，能使人头晕、恶心、呕吐、丧失平衡感甚至精神沮丧。有人认为，晕车、晕船就是车、船在运行时伴生的次声波引起的。住在十几层高的楼房里的人，遇到大风天气，往往感到头晕、恶心，这也是因为大风使高楼摇晃产生次声波的缘故。更强的次声波还能使人耳聋、昏迷、精神失常甚至死亡。

声波之用

从20世纪50年代起，核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得对次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和传播等方面的研究都有了很大的发展，次声的应用也逐渐受到人们的注意．其实，次声的应用前景十分广阔，大致有以下几个方面：1．研究自然次声的特性和产生机制，预测自然灾害性事件．例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于台风移动速度，因此，人们利用一种叫“水母耳”的仪器，监测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报．利用类似方法，也可预报火山爆发、雷暴等自然灾害．2．通过测定自然或人工产生的次声在大气中传播的特性，可探测某些大规模气象过程的性质和规律．如沙尘暴、龙卷风及大气中电磁波的扰动等．3．通过测定人和其他生物的某些器官发出的微弱次声的特性，可以了解人体或其他生物相应器官的活动情况．例如人们研制出的“次声波诊疗仪”可以检查人体器官工作是否正常．4．次声在军事上的应用，利用次声的强穿透性制造出能穿透坦克、装甲车的武器，次声武器——般只伤害人员，不会造成环境污染。词条图册更多图册