声现象
声音是我们感知世界的重要方式。清晨的鸟鸣、课堂上的朗读声、远处传来的汽笛声……声音的世界丰富多彩。声音是如何产生的？又是如何传播到我们耳朵里的？不同声音为什么听起来不一样？
声学知识结构
本章将从声音的产生和传播开始，学习声音的三个特性，了解声在现代科技中的广泛应用，并认识噪声的危害及控制方法。
声音由物体的振动产生，通过介质（固体、液体、气体）向外传播。真空不能传声。声速在不同介质中不同，回声是声的反射现象。
声音有响度、音调、音色三个特性。响度与振幅有关，音调与频率有关，音色与发声体的材料和结构有关。乐音与噪声有着本质的区别。
声可以传递信息和能量——回声定位、B 超、超声波碎石等都是声的应用。噪声严重影响人们的生活，可以从声源处、传播过程中和人耳处三个途径进行控制。
声音的产生和传播
声音的产生
声音是由物体的振动 (vibration) 产生的。振动停止，发声也停止。
声源 (sound source) 是指正在发声的物体。
| 发声体 | 振动部位 |
|---|---|
| 人（声带） | 声带的振动 |
| 小提琴 / 二胡 | 琴弦的振动 |
| 笛子 | 空气柱的振动 |
| 鼓 | 鼓面的振动 |
| 蝉 | 腹部鼓膜的振动 |
| 蜜蜂 / 蚊子 | 翅膀的振动 |
注意
正在发声的物体一定在振动，但振动的物体不一定都能被人耳听到（如次声波、超声波）。
声音的传播
声音的传播需要介质 (medium)。介质可以是固体、液体或气体。真空不能传声。
- 固体传声：隔壁房间的敲击声通过墙壁（固体）传播
- 液体传声：在水中可以听到岸上的声音；钓鱼时脚步声会把鱼吓跑
- 气体传声：我们平时听到的声音主要通过空气传播
声音以声波 (sound wave) 的形式向四面八方传播。声波是一种机械波，类似于水面的波纹——声源振动引起周围介质的振动，这种振动由近及远地传播出去，就形成了声波。
声速
声音在介质中的传播速度叫作声速 (speed of sound)。声速的大小与介质的种类和温度有关。
- 一般情况下，固体中声速 > 液体中声速 > 气体中声速
- 在同种介质中，温度越高，声速越大
| 介质（15℃） | 声速 |
|---|---|
| 空气（15℃） | 340 m/s |
| 水 | 约 1500 m/s |
| 钢铁 | 约 5200 m/s |
回声
声音在传播过程中遇到障碍物会被反射回来，人们把反射回来的声音叫作回声 (echo)。
区分回声与原声的条件： 回声到达人耳比原声晚 0.1s 以上，人耳才能将回声与原声区分开。这就要求障碍物到人的距离至少为 17 m（空气中声速按 340 m/s 计算）。
- 回声测距：利用回声可以测量距离（如声呐探测海底深度）
- 回声加强原声：当障碍物距离小于 17 m 时，回声与原声混在一起，使原声加强（如音乐厅的混响设计）
声音的特性
音调
音调 (pitch) 是指声音的高低。音调由发声体振动的频率 (frequency) 决定。
- 频率：物体每秒振动的次数，单位是赫兹 (Hz)
- 频率越高，音调越高（声音尖锐）
- 频率越低，音调越低（声音低沉）
| 发声体 | 频率范围 | 音调特点 |
|---|---|---|
| 蚊子的翅膀 | 约 300-600 Hz | 音调高（嗡嗡声尖锐） |
| 人的声带（女声） | 约 200-300 Hz | 音调较高 |
| 人的声带（男声） | 约 80-200 Hz | 音调较低 |
| 大鼓 | 较低频率 | 音调低（声音浑厚） |
超声波与次声波
人耳能感知的频率范围大约是 20 Hz ~ 20000 Hz。
- 次声波 (infrasound)：频率低于 20 Hz 的声波——地震、火山爆发、核爆炸等都会产生次声波
- 超声波 (ultrasound)：频率高于 20000 Hz 的声波——蝙蝠、海豚能发出和接收超声波，用于导航和捕食
响度
响度 (loudness) 是指声音的强弱。响度由发声体振动的振幅决定。
- 振幅 (amplitude)：物体振动的幅度（即振动时偏离平衡位置的最大距离）
- 振幅越大，响度越大
- 响度还跟距离发声体的远近有关——距发声体越远，听到的声音越小
声音的波形：
- 响度大 ↔ 波形振幅大（波峰高）
- 响度小 ↔ 波形振幅小（波峰低）
生活中减小声音响度的常用方法：轻拿轻放、轻声细语、在声源处加隔音罩等。
音色
音色 (timbre) 是声音的品质和特色。音色由发声体本身的材料和结构决定。
- 不同的发声体由于材料、结构不同，发出的声音音色不同
- 音色是区分不同发声体的重要依据——即使音调和响度相同，我们也能通过音色分辨出不同乐器或不同人的声音
音色辨析
- "闻其声而知其人"——通过音色判断说话人是谁
- 不同乐器演奏同一首乐曲（音调、响度相同），听起来不同——因为音色不同
- 利用音色可以鉴别机器运转是否正常——机器故障时发出的噪声音色会发生变化
乐音与噪声
| 乐音 (musical sound) | 噪声 (noise) | |
|---|---|---|
| 物理学角度 | 声源做有规则的振动，波形有规律 | 声源做无规则的振动，波形杂乱无章 |
| 环保角度 | 凡是人们愿意听的声音 | 凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音 |
| 举例 | 音乐、歌声 | 机器轰鸣声、汽车喇叭声、装修电钻声 |
声的利用
声传递信息
声波可以传递信息，在生活和科技中有广泛应用：
| 应用 | 原理 | 举例 |
|---|---|---|
| 回声定位 | 发出超声波，根据回声判断障碍物的位置和距离 | 蝙蝠、声呐 (SONAR) |
| B 超 | 向人体内发射超声波，接收反射回来的声波形成图像 | 医学诊断中的 B 超检查 |
| 声呐探测 | 利用声波在水中的传播和反射进行探测和定位 | 探测海底深度、鱼群定位 |
| 金属探伤 | 超声波在金属中传播时遇到裂纹会产生异常反射 | 检测金属构件内部缺陷 |
声呐（SONAR，Sound Navigation and Ranging）利用超声波在水中传播距离远的特点进行探测。先向水中发出超声波，测出从发出到接收到回声的时间
，再利用 计算距离。
声传递能量
声波也可以传递能量。超声波由于频率高、能量集中，在工业、医疗等领域有重要应用：
| 应用 | 原理 |
|---|---|
| 超声波碎石 | 利用超声波的高能量将体内的结石击碎 |
| 超声波清洗 | 利用超声波在水中产生的高频振动清洗精密仪器 |
| 超声波焊接 | 利用超声波使塑料或金属接触面摩擦生热而熔接在一起 |
| 超声波雾化 | 利用超声波将药液打散成微小雾滴（如医用雾化器） |
声传递能量的实验
在扬声器前放一支点燃的蜡烛，当播放音乐时，烛焰会随着音乐晃动——这说明声波可以传递能量。扬声器发出的声波使空气振动，空气的振动带动烛焰晃动。
噪声的危害和控制
噪声的来源
噪声的主要来源包括：
- 交通噪声：汽车、火车、飞机等交通工具发出的声音
- 工业噪声：工厂机器的运转声，建筑工地的施工声
- 生活噪声：大声喧哗、音响声、家电声等
噪声的等级
声音的强弱通常用分贝 (decibel, dB) 来表示。分贝数越大，表示声音越强。
| 分贝 (dB) | 声音 | 感受 |
|---|---|---|
| 0 dB | 人刚能听到的最弱声音 | 听觉下限 |
| 10-20 dB | 轻声耳语、树叶沙沙声 | 非常安静 |
| 30-40 dB | 图书馆、卧室 | 安静 |
| 50-60 dB | 正常交谈 | 较安静 |
| 70-80 dB | 繁华街道、大声说话 | 较吵 |
| 90-100 dB | 电锯声、汽车喇叭 | 很吵，长期暴露会损伤听力 |
| 120 dB | 喷气式飞机起飞 | 震耳欲聋，人耳会感到疼痛 |
为了保护听力： 声音不能超过 90 dB。
为了保证工作和学习： 声音不能超过 70 dB。
为了保证休息和睡眠： 声音不能超过 50 dB。
噪声的控制
控制噪声可以从以下三个途径着手：
| 控制途径 | 方法 | 举例 |
|---|---|---|
| 在声源处控制 | 防止噪声产生 | 安装消声器、加隔音罩、禁止鸣笛 |
| 在传播过程中控制 | 阻断噪声传播 | 植树造"隔音林"、安装隔音板、关闭门窗 |
| 在人耳处控制 | 防止噪声进入耳朵 | 佩戴耳塞、耳罩、头盔 |
其中，在声源处控制噪声是最有效、最根本的措施。
实验探究
来自 PhET 的在线仿真实验
- 声波 — 观察声波的传播方式，探究频率、振幅与声音特性的关系
访问 PhET 网站 查看所有在线仿真实验
速记
- 声音的产生：物体振动产生声音，振动停止，发声停止
- 声音的传播：需要介质（固、液、气），真空不能传声；以声波形式传播
- 声速：固 > 液 > 气（一般情况）；15℃ 空气中 340 m/s
- 回声：障碍物距离 ≥ 17 m 时可区分回声与原声
- 音调：由频率决定——频率高则音调高；人耳感知范围 20 Hz ~ 20000 Hz
- 响度：由振幅决定——振幅大则响度大
- 音色：由材料和结构决定——区分不同发声体的依据
- 超声波利用：传递信息（B 超、声呐）和传递能量（碎石、清洗）
- 噪声控制三途径：声源处 → 传播过程中 → 人耳处
- 分贝等级：保护听力 ≤ 90 dB，工作学习 ≤ 70 dB，休息睡眠 ≤ 50 dB