聲學知識科普

1、聲音的產(chǎn)生,我們周圍是充滿聲音的世界。不論是有生命或者無生命的各個角落里，到處都充滿著聲音。正是由于聲音的存在，人們才能互相交談，表達感情，我們才能聽廣播，欣賞音樂。 可見，聲音同人們的生活是這樣的緊密相關，那么聲音究竟是怎樣發(fā)生的呢？ 我們稍微留意地觀察以下所聽到的聲音，就會發(fā)現(xiàn)，它們的根源都來自于物體的振動。聲音是一種連續(xù)的波。,,我們把能夠發(fā)出聲音的物體叫做聲源，但聲源不一定非是

2、固體不成，氣體和液體也一樣會因振動而發(fā)聲。比如說笛子就是靠空氣柱的振動發(fā)聲，汽笛就是靠蒸汽通過汽笛時振動發(fā)聲的，海水的波浪聲，就是液體振動的結(jié)果。,聲音的傳播,然而，僅僅依靠振動我們也無法聽到悅耳的聲音，聲音的傳播需要物質(zhì)，物理學中把這種物質(zhì)叫做聲的介質(zhì)。但聲音是無法在真空中傳播的。 我們來看一個實驗：如果把一個鐘放在一個帶抽氣機的大玻璃瓶里，當瓶里空氣沒有抽出時，鐘的滴答聲聽得很清楚；當空氣逐漸被抽出時，滴答聲就逐漸減小

3、了；當空氣抽到真空時，鐘聲也就聽不見了。,,空氣抽到真空,頻率,總之，振動的物體是聲音的聲源，振動在彈性介質(zhì)（氣體、固體和液體）中，以波的方式進行傳播，這個彈性波就叫做聲波，一定頻率范圍的聲波作用于人耳就產(chǎn)生了聲音的感覺。 敲一下音叉，它就會一來一回的擺動。這個有規(guī)則的擺動就叫振動。音叉往返一次算作一次振動，每秒振動的次數(shù)叫頻率，用 來表示，單位是赫。1千赫或1000赫表示每秒經(jīng)過一給定點的聲波有1000個周期。

4、 但不是所有的振動人耳都聽得見，只有頻率為20～20000赫的振動人耳才能產(chǎn)生聲音的感覺。低于20赫的聲波叫次聲，高于20000赫的聲音叫超聲。,,,雖然正常人能夠聽見20Hz到20000Hz的聲音，但老年人的高頻聲音減少到10000Hz（或可以低到6000Hz）左右。 超聲波（高于20000Hz）和正常聲波（20Hz - 20000Hz）遇到障礙物后會向原傳播方向的反方向傳播，而部分次聲波（低于20Hz）可以穿透障礙物

5、，俄羅斯在北冰洋進行的核試驗產(chǎn)生的次聲波曾經(jīng)環(huán)繞地球6圈。 超低頻率次聲波比其他聲波（10Hz以上的聲波）更具對人的破壞力，一部分可引起人體血管破裂導致死亡，但是這類聲波的產(chǎn)生條件極為苛刻，能讓人遇上的幾率很低。,,,人的發(fā)聲頻率在100Hz（男低音）到10000Hz（女高音）范圍內(nèi)。 蝙蝠就能夠聽見頻率高達120000赫的超聲波，它發(fā)出的聲波頻率也可達到120000赫。蝙蝠發(fā)出的聲音，頻率通常在45000赫到900

6、00赫范圍內(nèi)。狗能夠聽見高達50000赫的超聲波，貓能夠聽見高達60000赫以上的超聲波，但是狗和貓發(fā)出的聲音，都在幾十到幾千赫的范圍內(nèi)。 需要提醒一下，在空氣中傳播的聲波只是波動形式，空氣 本身并不傳走，它只是在原地振動。這如同水波一樣，在水上的漂浮物只是來回振動，并不傳走，傳走的只是水波的波動形式。,,注意,聲速,聲波在一定介質(zhì)中傳播的速度叫聲速，用c來表示，單位是米/秒。在常溫（20℃）和標準大氣壓下，空氣

7、中的聲速是344米/秒。但聲速不是固定不變的，當溫度發(fā)生變化時，聲速也隨著發(fā)生變化，在0℃時，聲速c=331.5米/秒，每增加1℃，聲速增加0.607米/秒。在不同的介質(zhì)中，聲速也是不同的。,,,,聲波,聲波波長 ，聲速c，頻率 是聲波的三個基本量，它們之間的關系為 。 在常溫下，在空氣中，當f=20赫時，=17.2米，當f=2000赫時，=1.72厘米。因此，在常溫下，空氣中人耳可聽聲波的波長在1.72厘米～17.2

8、米之間。由此可看出，聲音的頻率高，波長就短；頻率低，波長就長。,,,聲波的傳播特性——反射,當聲波遇到障礙物時，就像皮球碰在墻上一樣，會發(fā)生反射。在一個封閉的房子里，聲波向四面八方傳播，碰到墻、頂棚、地面、家具等就會發(fā)生反射現(xiàn)象。 反射聲的存在，會使原來的聲音加強。由于反射聲的存在，當聲源停止發(fā)聲后，短時間還能聽到聲音，這叫做混響聲。在噪聲控制中，用吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)在房屋內(nèi)表面做飾面就是為了減弱這個因反射而產(chǎn)生的混

9、響聲。從而使整個房間的噪聲降低。,,聲波的傳播特性——折射,聲波在傳播過程中，遇到不同特性阻抗（特性阻抗是介質(zhì)的密度和該介質(zhì)中的聲速的乘積，單位是瑞利）的界面時，如從空氣入射到鋼板上，除了反射外，還將發(fā)生折射現(xiàn)象。當介質(zhì)存在溫度差時，特性阻抗也會發(fā)生相應的變化，聲波亦將發(fā)生折射現(xiàn)象。 當有風時，亦將發(fā)生聲音的折射現(xiàn)象。一般地說，因為地面上有障礙物，地面的風速總要比上層空間的小。因此，在順風時，聲音在上層傳播得快，向下折射，而

10、在逆風時，聲音在地面?zhèn)鞑サ每?，相聲折射。這就是順風說話，老遠的就可聽見，而逆風說話，人們很不容易聽見的道理。,,回音壁——完美的折射,回音壁，是天壇中存放皇帝祭祀神牌的皇穹宇外圍墻。墻高3.72米，厚0.9米，直徑61.5米，周長193.2米。整個圍墻都很光滑。只要有人對著這個墻壁說話（如圖中A處），由于聲波沿著它的內(nèi)壁多次反射，站在內(nèi)墻下任何位置的人都可以清楚地聽到他的聲音，并且覺得聲音是從臨近的墻壁處傳來的。

11、 天壇的這些建筑物中充分體現(xiàn)了 聲音反射的原理，是我國古代勞動人 民對建筑聲學的一大貢獻。,聲波的傳播特性——繞射,聲波在傳播過程中，遇到障礙物或孔洞時，當波長比障礙物或孔洞大得多時，會發(fā)生繞射現(xiàn)象。 低頻聲波波長達十來米，所以很容易繞射過去。如果墻上有孔洞，很容易發(fā)生低頻的“漏聲”。

12、 在建筑規(guī)劃和設計時，應當注意到聲波的反射、折射、繞射現(xiàn)象，以達到理想的聲學效果。 此外，聲波在傳播時，還可以相互疊加，這叫做聲波的干涉，大家也應該有所注意。,,聲波的輻射,下面我們來關注一下聲波輻射的具體細節(jié)。當聲源的尺寸與波長比起來很小的時候，聲波成球面波的形狀從聲源較均勻地向各個方向輻射，沒有方向性，這種聲源叫做點聲源。當聲源的尺寸比波長大時，輻射出的聲波以略微發(fā)散的聲束傳播著。

13、 波長與聲源的尺寸相較越小，聲束的發(fā)散角越小，其方向性越強。當聲波波長與聲源尺寸相比非常小時，聲波幾乎以不發(fā)散的聲束成平面波的形狀從聲源向外界傳播。我們知道，低頻聲波波長長、高頻聲波波長短。因此，在某一聲源的背面，與正面相比，聽起來低音相差不大，而高音差得很遠。,,,,點聲源---球面波,線聲源---平面波,聲波的衰減,在大多數(shù)情況下在大多數(shù)實際情況下，可以近似地認為聲波在聲源附近具有球面波形狀。球面波的強度與離開聲

14、源距離的平方成反比而降低，即當離聲源的距離增為2、3、4、5倍時，聲音的強度將相應地減為 、 、 、 。 這是因為聲源每秒鐘發(fā)出的能量是一個恒量，離開聲源的距離越大，能量的分布面也越大，因此，通過單位面積的能量就越小。這也就是離聲源距離越近，聲音越強，離聲源的距離越遠，聲音越弱的原因。這叫做聲波的距離衰減。,,,,,,,在距離聲源很遠的地方，以及在通道和管子中聲波一般成平面波的形狀傳播。

15、 另外，聲波在遠距離中傳播時，總有一部分能量被空氣吸收，由于空氣吸收而引起的聲衰減與聲波的頻率、空氣的溫度、溫度有關。高頻聲波比低頻聲波衰減的快，因此，我們聽到原來的飛機聲音主要是低頻成分。但隨著飛機據(jù)我們的距離越來越近，高頻成分也就逐漸增加了。,我們與聲音,了解了聲音本身的一些性質(zhì)，我們現(xiàn)在再來看看人耳是如何感知聲音的。 首先我們來看看人耳的構(gòu)造：人的耳朵是由外耳、中耳

16、 和內(nèi)耳三部分組成的。,,,人可以通過兩種途徑聽到聲音：    第一種途徑： 外界聲音——鼓膜——聽小骨及其它組織——聽覺神經(jīng)——大腦    第二種途徑（骨傳導）： 聲音——頭骨、頜骨——聽覺神經(jīng)——大腦    正常人通過這兩種途徑都能聽到聲音；耳聾的人則是通過第二

17、種途徑聽到聲音。 偉大的音樂家貝多芬耳聾后就是用牙咬住木棒的一端，另一端頂在鋼琴上聽自己演奏的琴聲。,,聲音的量度,我們聽起來，有的聲音大，有的聲音小，那么究竟用什么尺度來衡量聲音的大小呢？ 原來聲波是疏密波，它使空氣時而變密，時而變稀?？諝庾兠?，壓強就增高；空氣變稀，壓強就降低。這樣，由于聲波的存在，使大氣壓產(chǎn)生迅速的起伏。這個起伏部分稱為聲壓，聲壓越大，聲音越強，聲壓越小，聲音越弱，人們就用聲壓作為衡量聲音大

18、小的尺子。 正常人耳剛剛聽到的得聲音的聲壓稱為可聽閾聲壓，而當聲壓使人耳產(chǎn)生疼痛感覺稱為痛閾聲壓。,,聲壓級,但是從聽閾到痛閾，聲壓的絕對值相差一百萬倍。用聲壓的絕對值來表示聲音的強弱是很不方便的。 為了方便起見，人們便引出一個成倍比關系的對數(shù)量——級，來表示聲音的大小，這就是聲壓級。這正如風級按級分、地震按級算一樣。 聲壓級的單位是分貝。分貝又是什么呢？它是一個相對單位，沒有量綱，它來源于電訊工程，

19、在電訊工程中，常用兩個功率比的常用對數(shù)來表示放大器的增益，這樣得出的單位叫貝爾。分貝是貝爾的十分之一，因此分貝就是十乘以兩個功率比值的常用對數(shù)的單位。,,,從這里我們可以直觀的看出 在我們生活中出現(xiàn)的聲音所對應 的分貝值。,聲音的其他表征,聲波作為一種波動形式，當然是具有一定的能量，人們也常常用能量的大小來表征聲輻射的強弱，這就引出了聲強和聲功率兩個物理量。 聲強是在聲傳播的方向上，單位時間內(nèi)通過單位面積的聲

20、能量。 聲功率是聲源在單位時間內(nèi)輻射出來的總能量。 與聲壓一樣，聲強和聲功率也用級來表示，這就是聲強級和聲功率級，其單位也是分貝。,,聲音的頻譜,聲音，有的低沉，有的尖銳。這是因為聲音具有著不同的頻率。頻率低，音調(diào)低，聲音低沉；頻率高，音調(diào)高，聲音尖銳。 作為可聞聲音，頻率從20～20000赫，有1000倍的變化范圍。為了方便起見，人們把一個寬廣的聲頻范圍劃為幾個小的頻段，這就是通常所說的頻

21、帶或頻程。 我們以頻率（頻帶）為橫坐標，以聲壓級（聲強級、聲功率級）為縱坐標，作出噪聲測量圖形，就可以清楚地了解該噪聲的成分和性質(zhì)，這就叫做頻譜分析。,,,這就是某兩段噪聲 的頻譜分析。,聲音的特性——樂音,樂音的三要素：音調(diào)、響度和音色。,,關于噪聲——定義,人們的日常生活是離不開聲音的。但當人們睡覺或者需要安靜時，聲音就成為不需要的了；當聲音達到一定的強度時，對人們的身體健康還有危害。這種聲音就是噪聲。

22、 那么，噪聲的定義是什么？它與樂音又有什么區(qū)別呢？,,,,從物理學觀點講，噪聲就是各種不同頻率和聲強的聲音的無規(guī)律的雜亂組合，如汽車的轟隆聲等等，它的波形圖是沒有規(guī)則的非周期性的曲線；樂音是有規(guī)律的振動產(chǎn)生的，它的波形圖是周期性的曲線。鋼琴、琵琶等弦樂器，笛、黑管等管樂器發(fā)出的就是樂音。 從生理學觀點講，凡是使人煩躁的、討厭的、不需要的聲音都叫噪聲。從這個意義上來說，噪聲和樂音就很難區(qū)分了。如：一個人演奏鋼琴，理應屬于樂音，

23、但對于正在睡覺或思考問題的鄰居來說，就成了討厭的噪聲。,,,,,樂音的波形圖,噪聲的波形圖,噪聲的分類,那么，如何更深入地認識噪聲呢？這里先讓我們對噪聲的分類進行一些了解。 噪聲可以從很多方面來分類，例如為區(qū)分由于自然現(xiàn)象和人為產(chǎn)生的噪聲，可以分為自然噪聲和人為噪聲；又如，按頻率分布，把噪聲分為低頻（1000Hz）噪聲。 所以，不同的分類法，有時對同一噪聲可以有不同的名稱。,,,按城市環(huán)境噪聲分類，我們將噪聲

24、分為交通噪聲、工業(yè)噪聲、建筑施工噪聲、社會生活噪聲。 交通噪聲，顧名思義就是包括道路機動車輛、內(nèi)河航運船舶、鐵路車輛以及飛機等的噪聲； 工業(yè)噪聲主要是工廠的各種動力設備、加工機械、生產(chǎn)設備等產(chǎn)生的噪聲； 建筑施工噪聲，主要來源于建筑機械發(fā)出的噪聲； 社會生活噪聲，這包括了人們的社會活動和家用設備發(fā)出的噪聲。,,,,按噪聲產(chǎn)生的機理，可分為機械噪聲、空氣動力性噪聲和電磁噪聲。

25、 機械噪聲是由于機械部件之間在摩擦力、撞擊力和非平衡力的作用下振動而產(chǎn)生的。簡而言之，是固體振動產(chǎn)生的噪聲； 空氣動力性噪聲是由于氣體振動產(chǎn)生的，當氣體中有了渦流，或發(fā)生了壓力突變等，引起氣體的擾動，就產(chǎn)生了空氣空氣動力性噪聲； 最后來看看電磁噪聲，它是由于電機的空氣隙中交變力相互作用而產(chǎn)生的。,,噪聲的主觀評價,聲壓是噪聲的基本物理參數(shù)，但人耳對聲音的感受不僅和聲壓有關，而且也和頻率有關，聲壓級相同而

26、頻率不同的聲音聽起來和可能是不一樣的。 如大型離心壓縮機機體噪聲和小汽車車內(nèi)的噪聲，聲壓級都是90分貝，可是前者是高頻，后者是特低頻，聽起來前者比后者響得多。,,刺耳,,低沉,噪聲的主觀評價——響度級,根據(jù)人耳這個特性，人們仿照聲壓級的概念，引出一個與頻率有關的響度級，其單位是方。就是選擇1000赫的純音作為基準聲音，某噪聲聽起來與該純音一樣響，該噪聲的響度級（方值）就等于這個純音的聲壓級（分貝值）。 如果某

27、噪聲聽起來與聲壓級85分貝、頻率1000赫的基準聲音同樣響，則該噪聲的響度級就是85方。 響度級是表示聲音響度的主觀量，它把聲壓級和頻率用一個單位統(tǒng)一起來了。,,噪聲測量,以上都是在圍繞理論來描述聲音，而實際生活中，想要研究聲音，首先要做的事，就是將它測量出來。 噪聲測量不僅是我們了解聲音的重要途徑，也是對環(huán)境噪聲進行檢測、評價和控制的重要手段。 常用的噪聲測量儀器有聲級計、頻譜儀、

28、電平記錄儀和磁帶記錄儀等。聲級計是一種按照一定 的頻率計權(quán)和時間計權(quán)測量聲音的聲壓級和聲級的儀 器，也是聲學測量中最常用的基本儀器。,,噪聲的危害,上面提到，凡是使人煩躁的、討厭的、不需要的聲音都叫噪聲。那么噪聲對我們究竟有什么危害呢？ 噪聲可以使人耳聾（只要你離開噪聲場所到安靜的環(huán)境中聽一段時間，聽覺就會逐漸恢復原狀，這個現(xiàn)象叫做暫時性聽閾偏移。） 噪聲引起多種疾?。ㄖ袠邢到y(tǒng)、心血管系統(tǒng)

29、等） 噪聲影響正常生活（街道汽車噪聲、火車的噪聲、飛機噪聲、城市施工噪聲、工廠噪聲、噪聲級對談話聲干擾、交通噪聲。） 噪聲降低勞動生產(chǎn)率 噪聲損害建筑物（噴氣飛機對使建筑物受損的事件中，抹灰開裂的占43%，窗損壞的占32%，墻開裂的占15%，瓦損壞的占6%。）,,噪聲的控制——在聲源上的處理,我們看到了如此“兇猛”的噪聲，怎樣防治噪聲呢？ 最根本的辦法是從聲源上治理它，

30、即將發(fā)聲體改造成不發(fā)聲體。用無聲的或低噪聲的設備和工藝代替高噪聲的設備和工藝，這就從根本上解決了噪聲問題。 再如提高機器制造的精度，盡量減少機器部件的撞擊和摩擦，正確地校準中心，搞好動質(zhì)量平衡、磁力平衡等等，使機械振動降低到最小。 這些都是從聲源上降低噪聲的辦法。,,噪聲的控制,合理布局，即合理的配置噪聲源，也是防治噪聲的一個重要方面。目的是使噪聲隨距離增加自然衰減或遇到天然屏障得到較大幅度的降

31、低，從而在很大程度上減少噪聲的污染面。 城市綠化對防治噪聲亦有一定的作用，如用40米寬的樹林就可以降低噪聲10～15分貝。 但是以上的途徑，在許多情況下都是很難實施的，有些設備精度無法提高到新的階段；房子建好了，再要改建和搬遷就不那么容易了。,,,那么，面對噪聲我們真的就無能為力了么？其實不用緊張，我們還可以從——從傳播途徑上控制噪聲、在聲音的接收者的角度來考慮降噪。 這