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声波 (物理名词)

声波 (物理名词)

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。声波通常是纵波,也有横波,声波所到之处的质点沿着传播方向在平衡位置附近振动,声波的传播实质上是能量在介质中的传递。
中文名 声波 外文名 Sound Wave,Acoustic Wave 产    生 物体(声源)震动 本    质 机械波,力学波 学    科 物理学 应用领域 地球科学,海洋学,建筑学等
目录
1 简介
2 物理参数
▪ 振幅
▪ 周期
▪ 频率
▪ 相位
▪ 波长
3 常见属性
▪ 音调
▪ 速度
▪ 音色
▪ 音量
4 分类
5 传播
▪ 传播介质
▪ 声波的干涉
▪ 衰减
6 应用
▪ 超声波
▪ 次声波
简介编辑
声波是声音的传播形式,发出声音的物体称为声源。声波是一种机械波,由声源振动产
声波
声波
生,声波传播的空间就称为声场。人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz(赫兹)至20kHz之间。 [1]
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。
声音始于空气质点的振动,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
表现为可视化波形的声波
表现为可视化波形的声波
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。
物理参数编辑
振幅
表示质点离开平衡位置的距离,反映从波形波峰到波谷的压力变化,以及波所携带的能量的多少。高振幅波形的声音较大;低振幅波形的声音较安静。
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,这一时间的持续视为一个周期。如波峰到下一个波峰,波谷到下一个波谷均为一个周期。
频率
声波的频率是指波列中质点在单位时间内振动的次数。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。
相位
表示周期中的波形位置,以度为单位测量,共 360º。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。
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。
波长
表示具有相同相位度的两个点之间的距离,也是波在一个时间周期内传播的距离。以英寸或厘米等长度单位测量。波长随频率的增加而减少。 [2]
常见属性编辑
音调
各种声源发生的频率千差万别,使得声波丰富多彩。例如小鼓的声波是每秒钟振动80-2000次,即频率为80-2000Hz;钢琴发声的频率范围是27.5-4096Hz;大提琴是40-700Hz;小提琴是300-10000Hz;笛子是300-16000Hz;男低音发声的频率范围是70-3200Hz;男高音为80-4500Hz;女高音是100-6500Hz;人们普通谈话的声波频率在500-2000Hz之间。
许多动物不仅可以发出和接受声波,而且能够发出和接受超声波,有的还可以感受次声波。
在声波的频率范围内,发声的频率决定着音调的高低:频率高,音调也高,声音尖锐;反之,频率低,音调也低,声音低沉。
速度
声波在不同的介质中传播速度显著不同。现在已经测得空气中常温常压下声波速度是344m/s,淡水中为1430m/s,海水中1500m/s,钢铁中5800m/s,铝中6400m/s,石英玻璃中5370m/s,而在橡胶中仅为30-50m/s。
介质的温度、压力变化,声速也随着改变。通常所指的常温是指20℃时的气温,当气温降到零度,声波在空气中传播的速度则将为331.5m/s,而气温每升高1℃,声速就增加0.607m/s。
音色
每一种声音都有各自的基本波形,称为基波。不同声音的基波中混入的谐波有多有少,导致音质变化多端,也就是音色的不同。基波中混入的谐波越多,也就是泛音越多,听起来就更悦耳。高频的泛音多,声音则变得沉重、庄严、厚实。
音量
声音的大小与生源振动的强弱有关。声波的连续振动,使空气分子不断交替的压缩和松弛,使大气压迅速产生起伏,这种气压的起伏部分,就称为声压。声压大,声音就强;声压小,声音则弱。音量的大小除了与声压有关,还与声强和声功率有关。声强是在声波传播的方向上,单位时间内通过单位面积的声能量;声功率是声源在单位时间内辐射出来的总能量。音量与声强和声功率均成正比关系。
音量的大小通常以分贝为单位来衡量。人耳刚能听见的声强是0分贝,普通谈话的声强是60-70分贝,凿岩机、球磨机的声强为120分贝,而使人耳产生疼痛感觉的声强是120分贝。 [1]
分类编辑
根据声波频率的不同,可以分为以下几类:
频率低于20Hz的声波称为次声波或超低声;
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。 [1]
传播编辑
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。
声波的干涉
在两个或更多声波相遇时,它们会彼此相加或减去,相互影响叠加,
声波的干涉
声波的干涉(3张)
这种现象称为波的干涉。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。
衰减
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:
1、几何衰减
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。几何衰减也叫作球面扩散衰减。 [3]
2、经典吸收
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,这就是介质的经典吸收现象。 [3]  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。
3、分子弛豫吸收
当声波通过介质时,会打破介质内部与外部自由度能量之间的平衡状态,导致内、外自由度能量的重新分配,建立新平衡状态,这一过程成为弛豫过程。建立平衡的过程是不可逆过程,因而伴随着熵的增长,导致有规的声能向无规的热能转化,即声波的弛豫吸收。 [3]
应用编辑
接收器可记录到从地下介质传播而来的声波,通过分析接收到的声波走时、相位、振幅等动力学特征,可以得到介质的物理性质和力学特征,研究地球的内部物质组成和结构。如建筑工程学中的岩体声波探测技术, [4]  油气勘探中的声波测井, [5]  地球内部分层的研究。
此外超声波和次声波由于其特有的性质,还具有其他特殊的用途。
超声波
1、超声波在媒质中传播时能量很大,引起介质微粒剧烈震动,利用这种现象可以制成各种器具。用超声波把治疗气喘用的药液击碎成很细的雾状液滴,药液就更容易进入气管的深部,疗效大大提高。
2、利用超声波可以把已封装的罐头食品消毒,细菌在超声波的作用下,因经受不起剧烈振动被“肢解”而死。
3、用超声波处理酒类,能使酒类很快陈华;用超声波处理刚放上盐的猪肉,只要一小时,就可获得酿制15天左右的效果;经过超声波处理的种子,可提高发芽率,收成也增加。这是由于超声波传播时,由于介质的分子振动引起化学反应或改变分子排列,从而改变物质的某些性质。 [6]
次声波
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。
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声波的干涉
声波的干涉(3)
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参考资料
1.  段维生,禾火等.生物与声波:吉林人民出版社,1980
2.  杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础:南京大学出版社,2012
3.  马大猷. 声学漫谈:湖南教育出版社,1995
4.  陈成宗.工程岩体声波探测技术:中国铁道出版社,1990
5.  蒂穆尔,章兆淇.声波测井:石油工业出版社,1985
6.  徐正言.声:上海教育出版社,1981
词条标签:
科学百科工程技术分类 , 非生物 , 科技术语 , 科学 , 学科 , 动画


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