科普单元|一些关于声音的概念

IAT

2021-10-14

声音如何产生

物体振动往往伴随着声音的产生——结构振动传播到人们的耳朵，让人耳的鼓膜发生振动，人耳鼓膜的振动又使人们主观上感觉到声音。

例如，扬声器是能把音频电流变成机械振动并推动空气发声，借助扬声器纸盆的振动播放出音乐，人们敲击桌面的振动会发出“咚咚咚”的声音，吹笛子时笛子发出的声音是由于气流带动笛身、笛腔、笛膜的共振而产生。

物体振动产生声音

声音传播需要什么

声波（sound wave）是一种机械波，产生声波的两个必要条件：声源（sound source）——机械振动的物体；介质（medium）——机械振动赖以传播的媒介，介质质点的机械振动由近及远的传播就称为声振动的传播，即声波。人们很早就开展一个简单的实验证明这个观点，把电铃放在玻璃罩中，抽去罩中作为弹性介质的空气，结果只能看到电铃在振动，却听不到它发出的声音。除了空气，水、金属、木头等弹性介质也都能够传递声波，它们都是声波的良好介质。在真空状态中因为没有任何弹性介质，声波就不能传播。

声音的传播需要媒介

声波的传播过程

声波在介质中传播，可看作介质中的质点在自己的平衡位置附近振动。质点之间存在相互作用，带动邻近的质点振动，从而实现波的传递。质点振动离开平衡位置，又在弹性力的作用下回到平衡位置。由于波以有限的速度向前传播，后振动的质点和先振动的质点在步调上要落后一段时间，也就是质点之间存在着相位差。

质点振动方向平行于传播方向的波，称为纵波，纵波传播特点是波动的“疏密相间”。质点振动方向垂直于波传播方向的波，称为横波，横波传播特点是“波浪起伏”。声波通常是纵波，也会出现横波，这主要取决于传播的介质。声音在空气传播时是纵波，因为在声音传播过程中空气（介质）沿着声波传播方向发生膨胀和收缩；声波在液体中传播时一般也是纵波，而声音通过金属等介质传播时，则是横波，且传播速度较快。

声波的传播实质上是能量在介质中的传递，而非物质质点的移动。

纵波和横波示意图

现在，我们通过人听到广播的过程再阐述一次声音的产生、传播与接收：扬声器纸盆振动，压缩其周围的空气质点振动，由于空气的弹性/可压缩性，在质点的相互作用下，四周空气交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播，从而形成声波传入人耳，使鼓膜振动，最后通过神经传入大脑，人便听见了声音。

描述声音的物理量

质点振动必然存在振动位移、振动速度，介质压缩或膨胀也必然导致压强的变化，因此声波的传播过程有一些可以测量的物理量，如质点振动位移、振动速度、声压等。最常用的测量量是声压，因为声压的测量比较容易实现，而通过声压的测量可以间接求得质点速度等其它物理量。声学中常用声压来描述声波。

声压

以空气介质为例，声波在传播过程中引起空气介质产生压缩或膨胀的周期性变化，声波扰动使空气介质产生压力的变化。由于我们承受着巨大的“静态”大气压力，即“大气压”，大气压在大多数情况下是恒定的，因此我们实际上仅关心声音扰动下压力信号的“变化”部分，所以，通常声压会减去大气压并将声压级归一化，观察其在“静态”大气压力附近变化量，即声压逾量。

需要注意的是，这个压力实际上只是我们的耳朵（或麦克风）承受的压力的变化(逾量压强)，声压与大气压相比及其微弱，当我们听到声音时，未感觉到声压的实际波动，但实际上我们的大脑充当这些正负波动的积分器，并且感知到稳定的声压值。声压的单位（帕斯卡Pa，N/m^2），以此量化声压的大小。

声压其实是声音压强的逾量

人耳对于1kHz声音的可听阈（即能察觉到声压存在的声压临界值）约2*10^(-5)Pa，微风轻轻吹动树叶的声音约2*10^(-4)Pa，在房间中的高声谈话声（距离1m处）约为0.05Pa~0.1Pa，交响乐演奏声(距离5-10m处)约为0.3Pa，飞机的强力发动机发出的声音相距5m处约为200Pa。

质点振速

声波在介质中通过质点往复运动传播，在声波的作用下，声压的出现必然导致弹性介质质点的振动，介质中无限小部分因声波的扰动而引起的相对整个介质质点的速度称为介质“质点”的振动速度（简称质点振速），

其中，为质点振动的位移。

质点速度或者位移可用来描述声场。

质点振速并非声音的传播速度，而是声波的传播引起小部分介质波动的速度。声场中质点振速和声波的传播速度是完全不同的物理量，小振幅声波的传播速度是取决于介质本身的物理量，如空气中为约340m/s，而声场中的质点振速幅值却小得多，空气中1Pa声压对应的振速约为0.0023 m/s，相应的1000Hz声波的质点位移非常的小，约为3.7*10^(-7)m；水中1Pa的声压，相应的振速约为7*10^(-7)m/s，相应的1000Hz声波的位移仅为10*10^(-10)m。水中质点的位移比空气中质点振速更小。