簡介
聲波是聲音的傳播形式,發出聲音的物體稱為聲源。聲波是一種機械波,由聲源振動產生,聲波傳播的空間就稱為聲場。人耳可以聽到的聲波的頻率一般在20Hz(赫茲)至20kHz之間。
聲波可以理解為介質偏離平衡態的小擾動的傳播。這個傳播過程只是能量的傳遞過程,而不發生質量的傳遞。如果擾動量比較小,則聲波的傳遞滿足經典的波動方程,是線性波。如果擾動很大,則不滿足線性的聲波方程,會出現波的色散,和激波的產生。
聲音始於空氣質點的振動,如吉他弦、人的聲帶或揚聲器紙盆產生的振動。這些振動一起推動鄰近的空氣分子,而輕微增加空氣壓力。壓力下的空氣分子隨後推動周圍的空氣分子,後者又推動下一組分子,依此類推。高壓區域穿過空氣時,在後面留下低壓區域。當這些壓力波的變化到達人耳時,會振動耳中的神經末梢,我們將這些振動聽為聲音。
物理參數
振幅
表示質點離開平衡位置的距離,反映從波形波峰到波谷的壓力變化,以及波所攜帶的能量的多少。高振幅波形的聲音較大;低振幅波形的聲音較安靜。
周期
描述單一、重複的壓力變化序列。從零壓力,到高壓,再到低壓,最後恢復為零,這一時間的持續視為一個周期。如波峰到下一個波峰,波谷到下一個波谷均為一個周期。
頻率
聲波的頻率是指波列中質點在單位時間內振動的次數。以赫茲(Hz)為單位測量,描述每秒周期數。例如,1000 Hz 波形每秒有 1000 個周期。頻率越高,音樂音調越高。
相位
表示周期中的波形位置,以度為單位測量,共 360º。零度為起點,隨後 90º 為高壓點,180º 為中間點,270º 為低壓點,360º 為終點。相位也可以弧度為單位。弧度是角的國際單位,符號為rad。
由於兩條射線從圓心向圓周射出,形成一個夾角和夾角正對的一段弧。當這段弧長正好等於圓的半徑時,兩條射線的夾角的弧度被定義為1rad。當半徑一定時,圓心角正比於弧長。於是,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,在計算二者之比時要約掉,因此弧度制實質上就是用實數表示角度的單位制,單位rad純粹是為了表述方便人為給出的。因此,在實際求解中符號rad一般直接省略。
波長
表示具有相同相位度的兩個點之間的距離,也是波在一個時間周期內傳播的距離。以英寸或厘米等長度單位測量。波長隨頻率的增加而減少。
常見屬性
音調
各種聲源發生的頻率千差萬別,使得聲波豐富多彩。例如小鼓的聲波是每秒鐘振動80-2000次,即頻率為80-2000Hz;鋼琴發聲的頻率範圍是27.5-4096Hz;大提琴是40-700Hz;小提琴是300-10000Hz;笛子是300-16000Hz;男低音發聲的頻率範圍是70-3200Hz;男高音為80-4500Hz;女高音是100-6500Hz;人們普通談話的聲波頻率在500-2000Hz之間。
許多動物不僅可以發出和接受聲波,而且能夠發出和接受超音波,有的還可以感受次聲波。
在聲波的頻率範圍內,發聲的頻率決定著音調的高低:頻率高,音調也高,聲音尖銳;反之,頻率低,音調也低,聲音低沉。
速度
聲波在不同的介質中傳播速度顯著不同。現在已經測得空氣中常溫常壓下聲波速度是344m/s,淡水中為1430m/s,海水中1500m/s,鋼鐵中5800m/s,鋁中6400m/s,石英玻璃中5370m/s,而在橡膠中僅為30-50m/s。
介質的溫度、壓力變化,聲速也隨著改變。通常所指的常溫是指20℃時的氣溫,當氣溫降到零度,聲波在空氣中傳播的速度則將為331.5m/s,而氣溫每升高1℃,聲速就增加0.607m/s。
音色
每一種聲音都有各自的基本波形,稱為基波。不同聲音的基波中混入的諧波有多有少,導致音質變化多端,也就是音色的不同。基波中混入的諧波越多,也就是泛音越多,聽起來就更悅耳。高頻的泛音多,聲音則變得沉重、莊嚴、厚實。
音量
聲音的大小與生源振動的強弱有關。聲波的連續振動,使空氣分子不斷交替的壓縮和鬆弛,使大氣壓迅速產生起伏,這種氣壓的起伏部分,就稱為聲壓。聲壓大,聲音就強;聲壓小,聲音則弱。音量的大小除了與聲壓有關,還與聲強和聲功率有關。聲強是在聲波傳播的方向上,單位時間內通過單位面積的聲能量;聲功率是聲源在單位時間內輻射出來的總能量。音量與聲強和聲功率均成正比關係。
音量的大小通常以分貝為單位來衡量。人耳剛能聽見的聲強是0分貝,普通談話的聲強是60-70分貝,鑿岩機、球磨機的聲強為120分貝,而使人耳產生疼痛感覺的聲強是120分貝。
分類
根據聲波頻率的不同,可以分為以下幾類:
頻率低於20Hz的聲波稱為次聲波或超低聲;
頻率20Hz~20kHz的聲波稱為可聞聲;
頻率20kHz~1GHz的聲波稱為超音波;
頻率大於1GHz的聲波稱為特超聲或微波超聲。
傳播
傳播介質
除了空氣,水、金屬、木頭等彈性介質也都能夠傳遞聲波,它們都是聲波的良好介質。在真空狀態中因為沒有任何彈性介質,所以聲波就不能傳播了。
聲波的干涉
在兩個或更多聲波相遇時,它們會彼此相加或減去,相互影響疊加, 這種現象稱為波的干涉。如果它們的波峰和波谷完全同相 ,則互相加強,因此產生的波形的振幅高於任何單個波形的振幅。如果兩個波形的波峰和波谷完全異相,則會相互抵消,導致完全沒有波形。
然而,在大多數情況下,各種聲波會存在不同程度的異相,產生比單個波形更複雜的組合波形。例如,表示音樂、語音、噪聲和其他聲音的複雜波形結合了各種聲音的波形。因為其獨特的物理結構,單個樂器可以產生極複雜的聲波。這就是小提琴和小號即使演奏相同音符但聽起來不同的原因。
衰減
一個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:
1、幾何衰減
物體振動發出的聲波向四周傳播,聲波能量逐漸擴散開來。能量的擴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。幾何衰減也叫作球面擴散衰減。
2、經典吸收
聲波在固體介質中傳播時,由於介質的粘滯性而造成質點之間的內摩擦,從而使一部分聲能轉變為熱能;同時,由於介質的熱傳導,介質的稠密和稀疏部分之間進行熱交換,從而導致聲能的損耗,這就是介質的經典吸收現象。 通常認為,吸收衰減與聲波頻率的一次方、頻率的平方成正比。
3、分子弛豫吸收
當聲波通過介質時,會打破介質內部與外部自由度能量之間的平衡狀態,導致內、外自由度能量的重新分配,建立新平衡狀態,這一過程成為弛豫過程。建立平衡的過程是不可逆過程,因而伴隨著熵的增長,導致有規的聲能向無規的熱能轉化,即聲波的弛豫吸收。
套用
接收器可記錄到從地下介質傳播而來的聲波,通過分析接收到的聲波走時、相位、振幅等動力學特徵,可以得到介質的物理性質和力學特徵,研究地球的內部物質組成和結構。如建築工程學中的岩體聲波探測技術, 油氣勘探中的聲波測井, 地球內部分層的研究。
此外超音波和次聲波由於其特有的性質,還具有其他特殊的用途。
超音波
1、超音波在媒質中傳播時能量很大,引起介質微粒劇烈震動,利用這種現象可以製成各種器具。用超音波把治療氣喘用的藥液擊碎成很細的霧狀液滴,藥液就更容易進入氣管的深部,療效大大提高。
2、利用超音波可以把已封裝的罐頭食品消毒,細菌在超音波的作用下,因經受不起劇烈振動被“肢解”而死。
3、用超音波處理酒類,能使酒類很快陳華;用超音波處理剛放上鹽的豬肉,只要一小時,就可獲得釀製15天左右的效果;經過超音波處理的種子,可提高發芽率,收成也增加。這是由於超音波傳播時,由於介質的分子振動引起化學反應或改變分子排列,從而改變物質的某些性質。
次聲波
1.研究自然次聲的特性和產生機制,預測自然災害性事件。例如颱風和海浪摩擦產生的次聲波,由於它的傳播速度遠快於颱風移動速度,因此,人們利用一種叫“水母耳”的儀器,監測風暴發出的次聲波,即可在風暴到來之前發出警報。利用類似方法,也可預報火山爆發、雷暴等自然災害。
2.通過測定自然或人工產生的次聲在大氣中傳播的特性,可探測某些大規模氣象過程的性質和規律。如沙塵暴、龍捲風及大氣中電磁波的擾動等。
3.通過測定人和其他生物的某些器官發出的微弱次聲的特性,可以了解人體或其他生物相應器官的活動情況。例如人們研製出的“次聲波診療儀”可以檢查人體器官工作是否正常。
4.次聲在軍事上的套用,利用次聲的強穿透性製造出能穿透坦克、裝甲車的武器,次聲武器——般只傷害人員,不會造成環境污染。