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聲音是由物體振動產生,正在發聲的物體叫聲源。聲音以聲波的形式傳播,聲音只是聲波通過固體或液體、氣體傳播形成的運動。聲波振動內耳的聽小骨,這些振動被轉化為微小的電子腦波,它就是我們覺察到的聲音。

(圖)聲音聲音

聲音是通過物體振動產生的聲音是通過介質(空氣或固體、液體)傳播並能被人或動物聽覺器官所感知的波動現象。聲音只是壓力波通過空氣的運動。壓力波振動內耳的小骨頭,這些振動被轉化為微小的電子腦波,它就是我們覺察到的聲音。內耳採用的原理與麥克風捕獲聲波或揚聲器的發音一樣,它是移動的機械部分與氣壓波之間的關係。

1 聲音 -原理

(圖)聲音聲音

聲音是一種壓力波:當演奏樂器、拍打一扇門或者敲擊桌面時,他們的振動會引起介質——空氣分子有節奏的振動,使周圍的空氣產生疏密變化,形成疏密相間的縱波,這就產生了聲波,這種現象會一直延續到振動消失為止。

聲音作為波的一種,頻率和振幅就成了描述波的重要屬性,頻率的大小與我們通常所說的音高對應,而振幅影響聲音的大小。聲音可以被分解為不同頻率不同強度正弦波的疊加。這種變換(或分解)的過程,稱為傅立葉變換(Fourier Transform)。

因此,一般的聲音總是包含一定的頻率範圍。人耳可以聽到的聲音的頻率範圍在20到2萬赫茲之間。高於這個範圍的波動稱為超聲波,而低於這一範圍的稱為次聲波。狗和蝙蝠等動物可以聽得到高達16萬赫茲的聲音。鯨和大象則可以產生頻率在15到35赫茲範圍內的聲音。

2 聲音 -傳播

聲音在不同的介質中傳播的速度也是不同的。聲音的傳播速度跟介質的反抗平衡力有關,反抗平衡力就是當物質的某個分子偏離其平衡位置時,其周圍的分子就要把它擠回到平衡位置上,而反抗平衡力越大,聲音就傳播的越快。水的反抗平衡力要比空氣的大,而鐵的反抗平衡力又比水的大。

聲音的傳播也與溫度有關,聲音在熱空氣中的傳播速度比在冷空氣中的傳播速度快。

聲音在傳播還與阻力有關,當大風的天氣中,聲音傳播的速度就慢得多。

聲音還會因外界物質的阻擋而發生折射,例如人面對群山呼喊,就可以聽得到自己的回聲。另一個以折射為例:晚上的聲音傳播的要比白天遠,是因為白天聲音在傳播的過程中,遇到了上升的熱空氣,從而把聲音快速折射到了空中;晚上冷空氣下降,聲音會沉著地錶慢慢的傳播,不容易發生折射。

3 聲音 -單個正弦波周期

「周期」表示一個波周期從0dB/靜音至全部打開又返回的一個全周期。上面所示為正弦波的一個單周期。中線為0dB,即靜音。波高為音量,從左至右為時間。「波長」為從左至右的峰—峰距離。

與用於廣播或電視信號等,還有其它的一樣,頻率進一步分為VHF(甚高頻)和UHF(超高頻)。人在年輕時可以聽到約20Hz到20,000Hz(20KHz)的頻率範圍,這是消費類CD的額定頻率範圍。人的聽力從12歲以後開始下降,經常性處於聲壓級極大的情況下會導致我們聽力的靈敏度下降。因此,聲音具有音量/振幅和頻率/音調,另外還有基於時間的聲音結構。聲音達到最大音量有多快,可持續多長時間以及聲音消失直到聽不到時需多長時間。所使用的最基本術語有:

(一)「上升」:聲波從靜音達到最大振幅或音量所需的時間。

(二)「衰變」:聲波達到最大振幅/音量后消失為靜音所需的時間。

聲音的「音量-時間」形狀特性叫作「振幅包絡」。簡單包絡:「 上升」達到最大音量並不是立即完成的。聲音然後緩緩地衰變。聲波的包絡:在實際生活中,聲音是混雜的,含有以不同振幅包絡層迭的許多頻率

4 聲音 -單位

赫茲
赫茲是頻率單位,記為Hz,指每秒鐘周期性變化的次數。
分貝
分貝是用來表示聲音強度的單位,記為dB 。

5 聲音 -特性

(圖)聲音聲音

(一)響度(loudness):人主觀上感覺聲音的大小(俗稱音量),由「振幅」(amplitude)決定,振幅越大響度越大。(單位:分貝dB)

(二)音調(pitch):聲音的高低(高音、低音),由「頻率」(frequency)決定,頻率越高音調越高(頻率單位Hz(hertz),赫茲[/url,人耳聽覺範圍20~20000Hz。 20Hz以下稱為次聲波,20000Hz以上稱為超聲波)例如,低音端的聲音或更高的聲音,如細弦聲。

(三)音色(music quality):聲音的特性,由發聲物體本身材料、結構決定。又稱音品。頻率是每秒經過一給一定點的聲波數量,它的測量單位為赫茲,是以一個名叫海里奇R.赫茲的音響奇人命名的。此人設置了一張桌子,演示頻率是如何與每秒的周期相關的。1千赫或1000赫表示每秒經過一給定點的聲波有1000個周期,1兆赫就是每秒鐘有1,000,000個周期,等等。

(四)樂音:讓人愉悅的聲音。噪音:對聽覺和身心健康有損害的聲音。

(五)音調,響度,音色是樂音的三個主要特徵,人們就是根據他們來區分聲音。

6 聲音 -應用

(圖)聲音聲音

次聲波:由火山爆發、龍捲風、雷暴、颱風等許多災害性事件發生前都會產生出次聲波,人們就可以利用這種前兆來預報災害事件的發生。在軍事上,可用利用核試驗、火箭運行等產生的次聲波獲得相關的數據。

(1)通過研究自然現象所產生的次聲波的特性和產生的機理,更深入地研究和認識這些自然現象的特徵與規律。例如,利用極光所產生的次聲波,可以研究極光活動的規律。

(2)利用所接收到的被測聲源產生的次聲波,可以探測聲源的位置、大小和研究其他特性。例如,通過接收核爆炸、火箭發射或者颱風產生的次聲波,來探測出這些次聲源的有關參量。

(3)預測自然災害性事件。許多災害性的自然現象,如火山爆發、龍捲風、雷暴、颱風等,在發生之前可能會輻射出次聲波,人們就有可能利用這些前兆現象來預測和預報這些災害性自然事件的發生。

(4)次聲波在大氣層中傳播時,很容易受到大氣介質的影響,它與大氣層中的風和溫度分佈等因素有著密切的聯繫。因此,可以通過測定自然或人工產生的次聲波在大氣中的傳播特性,探測出某些大規模氣象的性質和規律。這種方法的優點在於可以對大範圍大氣進行連續不斷的探測和監視。

(5)通過測定次聲波與大氣中其他波動的相互作用的結果,探測這些活動特性。例如,在電離層中次聲波的作用使電波傳播受到行進性干擾,可以通過測定次聲波的特性,進一步揭示電離層擾動的規律。

(6)人和其他生物不僅能夠對次聲波產生某些反應,而且他(或它)們的某些器官也會發出微弱的次聲波。因此,可以利用測定這些次聲波的特性來了解人體或其他生物相應器官的活動情況。

(圖)超聲波掃描超聲波掃描

超聲波的應用:超聲波被廣泛應用於工業、軍事、醫療等行業可以利用越聲波。

(1)在醫療上,利用超聲波的巨大能量還可以把人體內的結石擊碎。

(2)在工業上,常用超聲波來清洗精密零件,原理是利用超聲波在清洗液中產生震蕩波使清洗液產生瞬間的小氣泡,從而沖洗零件的每個角落。

3)用超聲波探測金屬、陶瓷混凝土製品,甚至水庫大壩,檢查內部是否有氣泡、空洞和裂紋。

(4)在醫療上,人體各個內髒的表面對超聲波的反射能力是不同的,健康內臟和病變內髒的反射能力也不一樣。平常說的「B超」就是根據內臟反射的超聲波進行造影,幫助醫生分析體內的病變。

(5)軍事上,潛艇用聲納來發現敵軍的艦船與潛艇。

7 聲音 -危害

次聲波
次聲波會幹擾人的神經系統正常功能,危害人體健康。一定強度的次聲波,能使人頭暈、噁心、嘔吐、喪失平衡感甚至精神沮喪。有人認為,暈車、暈船就是車、船在運行時產生的次聲波引起的。在大風天氣,高層建築里的人往往感到頭暈、噁心,這也是因為大風使高樓搖晃產生次聲波的緣故。

雜訊污染
雜訊污染已經成為社會突顯問題。噪音每上升一分貝, 高血壓發病率就增加3%。影響人的神經系統, 使人急躁、易怒。影響睡眠, 造成疲倦。

8 聲音 -速度

空氣(15攝氏度):340米每秒,

水(常溫):1500米每秒,

鋼鐵:5200米每秒,

冰:3230米每秒

軟木:500米每秒,

聲音在空氣中的傳播速度還與壓強和溫度有關。聲音在空氣中的速度隨溫度的變化而變化,溫度每上升/下降5攝氏度,聲音的速度上升/下降3m/s。聲音的傳播最關鍵的因素是要有介質,介質指的是所有固體液體和氣體,這是聲音能傳播的前提。物理參量有聲源離觀察者的距離,聲源的震動頻率,傳播介質有關。因為極地寒冷,赤道炎熱,極地的空氣密度比赤道大,所以極地的聲音傳播速度大於赤道的。一般情況下,V固>V液>V氣。 聲音的傳播需要物質,物理學中把這樣的物質。


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