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第八章 声音的现象

Lesson 1/7 | Study Time: 20 Min


8.1 什么是波?




什么是波?







波的定义



波(Wave)是一种通过介质(medium)传播的振动现象,它将能量从一个地方传递到另一个地方,而不伴随物质的移动。






波的两种基本类型






















波的类型 定义 例子
横波 (Transverse Wave) 波的振动方向与传播方向垂直。 水波、光波
纵波 (Longitudinal Wave) 波的振动方向与传播方向平行。 声波、弹簧压缩波





波的基本要素



























要素 定义
波长 (Wavelength) 波峰与波峰之间(或波谷与波谷之间)的距离,用符号 λ 表示,单位为米 (m)。
频率 (Frequency) 每秒通过某点的波的数量,用符号 f 表示,单位为赫兹 (Hz)。
振幅 (Amplitude) 波的最大高度,表示波的能量大小。振幅越大,波的能量越强。
波速 (Wave Speed) 波传播的速度,用符号 v 表示,单位为米每秒 (m/s)。





波的传播需要介质吗?



波的传播可以分为两种情况:



  • 需要介质的波:机械波 (Mechanical Wave),需要通过介质(如固体、液体或气体)传播。例如:声波、水波。

  • 不需要介质的波:电磁波 (Electromagnetic Wave),不需要介质,可以在真空中传播。例如:光波、无线电波。






波的传播方式



  • 沿直线传播:波在均匀介质中会沿直线传播,例如光波在空气中的传播。

  • 反射 (Reflection):波遇到障碍物时会反射回来,例如:声音的回声。

  • 折射 (Refraction):波从一种介质进入另一种介质时会改变传播方向,例如光从空气进入水中时发生折射。

  • 衍射 (Diffraction):波在遇到小孔或障碍物边缘时会绕过障碍传播,例如:声音绕过墙壁传播。

  • 干涉 (Interference):两列波相遇时会相互叠加,形成新的波形。






波的知识小测试



  • 波的两种主要类型是什么? 横波和纵波

  • 波长的单位是什么? 米 (m)

  • 声音属于哪种波? 纵波 (Longitudinal Wave)

  • 光波是否需要介质传播? 不需要,光波属于电磁波

  • 波的振幅越大代表什么? 波的能量越强












8.2 什么是声波?




什么是声波?







声波的定义



声波(Sound Wave)是一种通过介质传播的纵波(Longitudinal Wave)。它是由物体振动产生的,振动会引起周围介质(如空气、液体或固体)中的分子产生疏密变化,从而形成声波。



  • 声波是一种机械波,必须依靠介质传播。

  • 声波不能在真空中传播。






声波的传播



























介质 传播速度 说明
空气 340 m/s 在标准大气压和 15°C 的条件下,声音在空气中的传播速度约为 340 m/s。
1500 m/s 声音在水中的传播速度比空气快,因为水的密度和弹性比空气大。
钢铁 5000 m/s 在固体中,声音传播得最快,因为固体的分子排列更紧密,传递振动更高效。





声波的基本特性



























特性 定义
频率 (Frequency) 声波每秒振动的次数,用 f 表示,单位为赫兹 (Hz)。
波长 (Wavelength) 声波中相邻稀疏区或密集区的距离,用 λ 表示,单位为米 (m)。
振幅 (Amplitude) 声波振动的最大位移,决定了声音的响度(Loudness)。
波速 (Wave Speed) 声波传播的速度,用 v 表示,单位为米每秒 (m/s)。





声波的三大特性



  • 音调 (Pitch):由声波的频率决定,频率高音调高,频率低音调低。

  • 响度 (Loudness):由振幅决定,振幅大声音响亮,振幅小声音较弱。

  • 音色 (Timbre):由波形决定,音色帮助区分不同的声音来源。






声波的应用



  • 回声定位 (Echolocation):动物(如蝙蝠)通过声波判断物体的位置和距离。

  • 声呐 (SONAR):用于探测水下物体或测量海洋深度。

  • 超声波 (Ultrasound):用于医学成像和工业检测。

  • 音乐与通信:声波是音乐和语言传播的基础。












8.3 什么是回声?




什么是回声?







回声的定义



回声(Echo)是指声音在传播过程中遇到障碍物反射回来,被人耳再次听到的现象。



  • 回声是声音的反射现象。

  • 声音必须传播一定距离后反射回来,才能形成明显的回声。






回声产生的条件























条件 描述
障碍物 声音需要遇到一个坚硬且光滑的障碍物(如山壁、建筑物墙面)。
距离 声音传播的距离必须足够远,通常障碍物与人耳的距离大于 17 米(声音往返的时间约为 0.1 秒)。
环境 安静的环境更容易听到回声,因为背景噪音较小。





回声的原理



回声是由声音的反射引起的:



  • 声音从声源发出,向四周传播。

  • 当声音遇到障碍物时,一部分被吸收,另一部分被反射。

  • 反射的声音返回到声源附近,被人耳听到,形成回声。






回声的应用



  • 回声定位 (Echolocation):一些动物(如蝙蝠、海豚)通过发出声波并接收回声来判断物体的位置和距离。

  • 声呐 (SONAR):声呐技术利用声波和回声探测水下物体的位置和深度,广泛用于潜艇和海洋勘探。

  • 建筑与声学设计:在建筑设计中,利用回声原理优化房间的声学效果,例如音乐厅和剧场的设计。






回声的计算



我们可以通过公式计算声音传播的距离或时间:



公式:

距离 = 声音传播速度 × 时间 ÷ 2

(这里时间是声音往返的时间,除以 2 是因为声音需要来回传播。)



例子:

假设声音在空气中的传播速度为 340 m/s,某人听到回声的时间为 0.2 秒:



距离 = 340 × 0.2 ÷ 2 = 34 米



因此,障碍物距离声源 34 米。






回声知识



  • 回声是由什么现象引起的? 声音的反射。

  • 障碍物与人耳的最小距离是多少? 17 米。

  • 声音传播的速度在空气中是多少? 340 m/s。

  • 哪些动物利用回声定位? 蝙蝠和海豚。

  • 声呐的主要用途是什么? 探测水下物体的位置和深度。











8.4 什么是乐音?




什么是乐音?







乐音的定义



乐音(Musical Sound)是一种由规则振动产生的声音,具有和谐的音调和稳定的频率。与噪声不同,乐音听起来令人愉悦。



  • 乐音由规则的振动产生。

  • 它具有一定的频率、响度和音色。






乐音的三大特性




音调 (Pitch)



音调是乐音的高低,由频率决定:



  • 频率高 → 音调高(如小提琴的高音)。

  • 频率低 → 音调低(如大鼓的低音)。



























声音来源 频率范围(Hz)
男低音 85 - 180 Hz
女高音 250 - 1,000 Hz
小提琴 196 - 3,520 Hz
钢琴 27.5 - 4,186 Hz



响度 (Loudness)



响度是乐音的强弱,由振幅决定:



  • 振幅大 → 声音响亮。

  • 振幅小 → 声音较弱。



























声音来源 响度(dB)
耳语 20 dB
普通对话 60 dB
音乐会 80 - 120 dB
喷气机起飞 120 dB



音色 (Timbre)



音色是乐音的“个性”,由波形决定。音色帮助我们区分不同的声音来源,即使它们的音调和响度相同。



  • 小提琴音色:清脆明亮。

  • 大提琴音色:浑厚低沉。






乐音与噪声的区别



























特性 乐音 噪声
振动规律 振动规则,频率稳定 振动无规则,频率不稳定
听觉感受 悦耳、和谐 刺耳、不和谐
示例 乐器演奏、歌唱 嘈杂的交通声、机器噪音





乐音的应用



  • 音乐创作:乐音是音乐的基础,所有乐器和歌曲都由乐音组成。

  • 声学设计:在音乐厅、剧场等场所,利用乐音的特性优化声学效果。

  • 医学疗法:某些乐音(如轻音乐)可以缓解压力,用于音乐疗法。

  • 声音合成:乐音被用于电子乐器和音频合成技术中,例如键盘和电脑生成的音乐。






乐音知识



  • 乐音由什么决定? 规则的振动。

  • 音调由什么决定? 频率。

  • 响度由什么决定? 振幅。

  • 音色由什么决定? 波形。

  • 人耳能听到的频率范围是多少? 20 Hz 至 20,000 Hz。












8.5 什么是噪音?




什么是噪音?







噪音的定义



噪音(Noise)是一种由不规则振动产生的声音,通常被认为是刺耳、不和谐或令人烦躁的声音。



  • 振动无规律,频率和波形混乱。

  • 听起来不悦耳,甚至会让人感到不安。






噪音的来源



























噪音来源 示例
交通噪音 汽车喇叭声、火车经过、飞机起飞
工业噪音 工厂机器运转、建筑施工的钻孔声
人类活动 人群喧闹、大声播放的音乐、吵闹的聚会
自然噪音 雷声、瀑布声、强风吹过的声音





噪音的影响




对健康的影响



























影响 描述
听力损伤 长时间暴露在高分贝噪音中可能导致听力下降甚至永久性耳聋。
心理压力 噪音会增加焦虑和压力感,影响情绪。
睡眠障碍 噪音干扰睡眠质量,导致失眠或浅睡。
心血管疾病 长期暴露在噪音中可能增加高血压和心脏病的风险。



对环境的影响



















影响 描述
野生动物受干扰 噪音会干扰动物的觅食、交配和导航行为,例如海洋中的船只噪音会影响海洋生物。
生态平衡破坏 噪音可能改变动物的栖息地分布,导致生态系统失衡。





噪音的测量



噪音的强度用分贝(dB)表示。分贝越高,噪音越大。
































噪音来源 噪音强度(dB) 影响
耳语 20 dB 几乎无害
普通对话 60 dB 安全
繁忙的交通声 80 dB 长时间暴露可能导致听力受损
火箭发射 150 dB 听觉器官可能受到严重损害





噪音的控制方法



  • 个人防护:使用耳塞或耳罩保护听力,尤其是在噪音环境中工作时。

  • 城市规划:在建筑设计中使用隔音材料,合理规划交通路线以减少噪音污染。

  • 法律法规:制定噪音限制标准,例如禁止夜间施工或限制车辆鸣笛。

  • 植树造林:在城市中种植树木,利用植被吸收噪音。






噪音知识



  • 噪音的单位是什么? 分贝(dB)。

  • 多少分贝以上可能损害听力? 80 dB。

  • 噪音的主要来源有哪些? 交通噪音、工业噪音、人类活动和自然噪音。

  • 噪音对健康有哪些影响? 听力损伤、心理压力、睡眠障碍和心血管疾病。

  • 如何减少噪音污染? 使用耳塞、植树造林、制定法律法规和合理城市规划。