??????? 2.2振動(dòng)與聲
??????? 我們向平靜的湖水水面投下一顆小石子,可以看到以石子投入點(diǎn)為中心的水波向周圍傳播開去,如圖1所示。這是由于小石子打擊湖水,使其石子周圍的水發(fā)生了振動(dòng),水的振動(dòng)又牽連到臨近水的振動(dòng),于是水波就由近及遠(yuǎn)的傳播出去了。以石子為中心高出水面的近似同心圓的部分最高點(diǎn)叫波峰,凹下去的最低點(diǎn)叫波谷。表面上看起來,好像水以石子為中心傳到遠(yuǎn)出去了,其實(shí)不然,水分子只是在原地上下振動(dòng),與波的傳播方向垂直,這種波叫橫波。
??????? 我們敲擊一下圖2中的音叉,它就會(huì)一來一往地?cái)[動(dòng),人的眼睛是看不見這種擺動(dòng)的,只能聽見清脆悅耳的聲音。這個(gè)有規(guī)律的擺動(dòng)叫振動(dòng)。音叉往返一次算作一次振動(dòng),每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)叫頻率,用f來表示,單位是赫(HZ)。人的耳朵能聽見的聲音頻率是20~20000赫,低于20赫德聲波叫次聲波,高于20000赫的聲波叫超聲波,人的耳朵聽不見次聲波和超聲波。
??????? 如圖2所示,當(dāng)音叉向右邊振動(dòng)時(shí),右邊臨近處的空氣受到擠壓,形成一個(gè)密集A,這個(gè)密集A的空氣又去擠壓右邊臨近B處的空氣,使B處的空氣又趨向于密集。
??????? 當(dāng)音叉向左邊振動(dòng)時(shí),留給右邊一個(gè)空隙,A處的空氣就充滿這個(gè)空隙,突然變得稀了,形成一個(gè)稀疏。這時(shí)B處的空氣已經(jīng)成為一個(gè)密集,B處的空氣繼續(xù)向右擠壓,使C處的空氣趨向密集。如此疏、密相間,將音叉的振動(dòng)以聲波的形式由近及遠(yuǎn)地傳播。疏密相間的變化方向與波的傳播方向一致,我們把這種波叫做縱波。
??????? 總之,振動(dòng)的物體是聲音的聲源,振動(dòng)在彈性介質(zhì)(氣體、固體和液體)中,以波的方式進(jìn)行傳播,這個(gè)彈性波就叫聲波。
??????? 在聲波中,兩個(gè)相鄰的密集或兩個(gè)稀疏之間相同位置的距離叫波長,用λ表示,單位是米(m)。聲波波長λ,聲速c,頻率f是聲波的三個(gè)基本量,它們之間的關(guān)系為
??????? (1)
??????? 在常溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,空氣中的聲速是344m/s。
??????? 2.3聲波的傳播特性
??????? 2.3.1聲波的反射、折射、繞射和干涉
??????? 當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí),就像光照射在鏡子上一樣,會(huì)發(fā)生發(fā)射。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)聲波波長比障礙物表面尺寸小時(shí),很容易地就被反射回去,并且在障礙物后面形成一個(gè)聲影區(qū)。高頻聲波的波長短,比低頻聲波更容易反射。由于反射聲的存在,會(huì)使原來的聲音加強(qiáng);當(dāng)我們在一個(gè)山谷中大喊一聲后立即停止,短時(shí)間內(nèi)我們還能聽到自已的喊聲,這種現(xiàn)象通常叫回音,在聲學(xué)里叫混響聲。
??????? 聲波在傳播過程中,遇到不同物資的界面時(shí),如從空氣入射到鋼板上,除了反射外,還將有聲波進(jìn)入鋼板里,這種現(xiàn)象叫折射。就是同一種物資在存在溫差時(shí)聲波也將發(fā)生折射現(xiàn)象。
??????? 聲波在傳播過程中,遇到障礙物或小孔,當(dāng)波長比障礙物或小孔的尺寸大得多時(shí),會(huì)發(fā)生繞射現(xiàn)象。如34.5~345赫的低頻聲波,波長約為1~10米,所以很容易繞射過去。墻上若有小孔洞,小心低頻“漏聲”。
??????? 聲波在傳播時(shí),還可以互相疊加,這叫做聲波的干涉。當(dāng)兩列頻率相同的聲波以相同的相位達(dá)到空間某點(diǎn)時(shí),兩個(gè)聲波被加強(qiáng),合成振幅為兩個(gè)聲波振幅之和;當(dāng)兩波相位相反時(shí),則相互減弱或完全抵消,合成振幅為兩列聲波振幅之差。
??????? 2.3.2聲波的輻射和衰減
??????? 當(dāng)聲源的尺寸與波長比較起來很小的時(shí)候,聲波成球面波的形狀從聲源較均勻地向四面八方輻射,沒有確定的方向,這種聲源叫做點(diǎn)聲源。當(dāng)聲源的尺寸大于聲波的波長時(shí),輻射出的聲波以略微發(fā)散的聲束傳播。
??????? 在大多數(shù)實(shí)際情況下,可以近似地認(rèn)為聲波在聲源附近具有球面波的形狀。球面波的強(qiáng)度與離開聲源距離的平方成反比而降低。這是因?yàn)槁曉疵棵腌姲l(fā)出的能量是一個(gè)衡量,離開聲源距離越大,能量的分布球形面積也越大,因此,通過單位面積的能量就越小,即是距聲源距離越近,聲音越強(qiáng),距聲源距離越遠(yuǎn),聲音越弱的原因。這叫做聲波的距離衰減。
??????? 2.4聲波的物理參數(shù)
??????? 從以上的敘述可知,聲音有大小、強(qiáng)弱之分,那么用甚么方法來衡量聲音的大小呢?
??????? 2.4.1聲壓與聲壓級
??????? 聲波是由于空氣受振動(dòng)而產(chǎn)生的,它使某一空間空氣時(shí)而密度變大,時(shí)而密度變小??諝饷芏仍黾?,壓強(qiáng)就升高;空氣密度變小,壓強(qiáng)就降低,因此,聲波使大氣壓發(fā)生了迅速起伏變化。這個(gè)使大氣壓發(fā)生變化的部分叫做聲壓。聲壓越大,聲音越強(qiáng),聲壓越小,聲音越弱。聲學(xué)家們就用聲壓來衡量聲音的大小,常用字母p來表示,單位是牛頓/米2(N/m2)。
??????? 正常人能聽到最弱的聲音的聲壓大約是2×10-5N/m2(稱聽閾聲壓),一般談話聲的聲壓是2×10-2~7×10-2N/m2,跑著的汽車的聲壓是0.2~1N/m2,電廠球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)的聲壓是20N/m2,這種高聲壓使人耳朵聽起來感到疼痛的感覺(稱痛閾聲壓)。從聽閾聲壓到痛閾聲壓相差1000000倍,作為一個(gè)計(jì)量單位,使用起來很不方便,人們便引用了一個(gè)成倍比關(guān)系的對數(shù)量,即用“級”來表示聲音的大小,稱為聲壓級。
??????? 聲壓級的單位叫分貝(dB),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
??????? (2)
??????? 式中Lp-----聲壓級,dB;
??????? p------聲壓,N/m2;
??????? po------基準(zhǔn)聲壓,2×10-5N/m2(1000赫的聽閾聲壓)。
??????? 將人能聽到的最弱聲壓(聽閾聲壓)、一般談話聲壓、跑著的汽車聲壓、運(yùn)行磨煤機(jī)的聲壓分別代入公式(2),可計(jì)算出它們的聲壓級分別是0、70、80~90及120dB。即將1000000倍的聲壓變化范圍,改寫為0~120dB的變化范圍,僅僅是表示方式的不同,聲壓的本質(zhì)未變。
??????? 2.4.2聲強(qiáng)、聲強(qiáng)級、聲功率、聲功率級
??????? 由于聲波是空氣中的機(jī)械振動(dòng)形成的,它具有一定的能量,所以常常也用能量的大小來表示聲波輻射的強(qiáng)弱,于是就引出了聲強(qiáng)和聲功率兩個(gè)物理量。
??????? 聲強(qiáng)是在聲音傳播的方向上,單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的聲能量,通常用字母I來表示聲強(qiáng),單位是瓦/m2(W/m2)。
??????? 聲功率是聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總聲能量,通常用字母W來表示,單位是瓦(W)。
??????? 聲強(qiáng)和聲功率與聲壓的表示方法一樣,也用“級”來表示,即聲強(qiáng)級和聲功率級,其單位也是分貝(dB),它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式是
??????? 聲強(qiáng)級(3)
??????? 式中LI-------聲強(qiáng)級,分貝(dB);
??????? I--------聲強(qiáng),瓦/米2(W/m2);
??????? I0-------基準(zhǔn)聲強(qiáng),10-12瓦/米2(W/m2)。
??????? 聲功率級(4)
??????? 式中LW-------聲功率級,分貝(dB);
??????? W--------聲功率,瓦/米2(W/m2);
??????? W0-------基準(zhǔn)聲功率,10-12瓦(W)。
??????? 為了對聲功率和聲功率級有比較直觀的理解,有下面幾個(gè)例子。小電鬧鐘的聲功率級是40dB,聲功率為10-8瓦;一般談話的聲功率級是70dB,聲功率為10-5瓦;汽錘的聲功率級是120dB,聲功率為1瓦;噴氣式飛機(jī)的聲功率級是160dB,聲功率為10000瓦。
??????? 2.5聲壓級、聲強(qiáng)級、聲功率級的區(qū)別
??????? 雖然聲壓級、聲強(qiáng)級和聲功率級都是描述聲音強(qiáng)弱的物理量,但也是有區(qū)別的。從上述Lp、LI、LW的定義可知,三者的物理意義完全不同,它們是從不同的角度來描述聲音的大小。聲壓級和聲強(qiáng)級它們說明的是確定的聲源在聲場空間中距離聲源某一定距離的點(diǎn)上聲波作用的大小的度量,距離聲源的距離不同,則數(shù)值不同;聲功率級是聲源在單位時(shí)間內(nèi)向聲場空間輻射的總聲能量的度量,與距聲源的距離無關(guān)。