[科普中国]-声波

简介

声波是声音的传播形式，发出声音的物体称为声源。声波是一种机械波，由声源振动产生，声波传播的空间就称为声场。人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz（赫兹）至2kHz之间。1

声波可以理解为介质偏离平衡态的小扰动的传播。这个传播过程只是能量的传递过程，而不发生质量的传递。如果扰动量比较小，则声波的传递满足经典的波动方程，是线性波。如果扰动很大，则不满足线性的声波方程，会出现波的色散，和激波的产生。

声音始于空气质点的振动，如吉他弦、人的声带或扬声器纸盆产生的振动。这些振动一起推动邻近的空气分子，而轻微增加空气压力。压力下的空气分子随后推动周围的空气分子，后者又推动下一组分子，依此类推。高压区域穿过空气时，在后面留下低压区域。当这些压力波的变化到达人耳时，会振动耳中的神经末梢，我们将这些振动听为声音。

物理参数振幅表示质点离开平衡位置的距离，反映从波形波峰到波谷的压力变化，以及波所携带的能量的多少。高振幅波形的声音较大；低振幅波形的声音较安静。

周期描述单一、重复的压力变化序列。从零压力，到高压，再到低压，最后恢复为零，这一时间的持续视为一个周期。如波峰到下一个波峰，波谷到下一个波谷均为一个周期。

频率声波的频率是指波列中质点在单位时间内振动的次数。以赫兹（Hz）为单位测量，描述每秒周期数。例如，1000 Hz 波形每秒有 1000 个周期。频率越高，音乐音调越高。

相位表示周期中的波形位置，以度为单位测量，共 360º。零度为起点，随后 90º 为高压点，180º 为中间点，270º 为低压点，360º 为终点。相位也可以弧度为单位。弧度是角的国际单位，符号为rad。

由于两条射线从圆心向圆周射出，形成一个夹角和夹角正对的一段弧。当这段弧长正好等于圆的半径时，两条射线的夹角的弧度被定义为1rad。当半径一定时，圆心角正比于弧长。于是，可以用弧长与半径的比值表示角度。而弧长与半径的国际单位都是m，在计算二者之比时要约掉，因此弧度制实质上就是用实数表示角度的单位制，单位rad纯粹是为了表述方便人为给出的。因此，在实际求解中符号rad一般直接省略。

波长表示具有相同相位度的两个点之间的距离，也是波在一个时间周期内传播的距离。以英寸或厘米等长度单位测量。波长随频率的增加而减少。2

常见属性音调各种声源发生的频率千差万别，使得声波丰富多彩。例如小鼓的声波是每秒钟振动80-2000次，即频率为80-2000Hz；钢琴发声的频率范围是27.5-4096Hz；大提琴是40-700Hz；小提琴是300-10000Hz；笛子是300-16000Hz；男低音发声的频率范围是70-3200Hz；男高音为80-4500Hz；女高音是100-6500Hz；人们普通谈话的声波频率在500-2000Hz之间。

许多动物不仅可以发出和接受声波，而且能够发出和接受超声波，有的还可以感受次声波。

在声波的频率范围内，发声的频率决定着音调的高低：频率高，音调也高，声音尖锐；反之，频率低，音调也低，声音低沉。

速度声波在不同的介质中传播速度显著不同。现在已经测得空气中常温常压下声波速度是344m/s，淡水中为1430m/s，海水中1500m/s，钢铁中5800m/s，铝中6400m/s，石英玻璃中5370m/s，而在橡胶中仅为30-50m/s。

介质的温度、压力变化，声速也随着改变。通常所指的常温是指20℃时的气温，当气温降到零度，声波在空气中传播的速度则将为331.5m/s，而气温每升高1℃，声速就增加0.607m/s。

音色每一种声音都有各自的基本波形，称为基波。不同声音的基波中混入的谐波有多有少，导致音质变化多端，也就是音色的不同。基波中混入的谐波越多，也就是泛音越多，听起来就更悦耳。高频的泛音多，声音则变得沉重、庄严、厚实。

音量声音的大小与生源振动的强弱有关。声波的连续振动，使空气分子不断交替的压缩和松弛，使大气压迅速产生起伏，这种气压的起伏部分，就称为声压。声压大，声音就强；声压小，声音则弱。音量的大小除了与声压有关，还与声强和声功率有关。声强是在声波传播的方向上，单位时间内通过单位面积的声能量；声功率是声源在单位时间内辐射出来的总能量。音量与声强和声功率均成正比关系。

音量的大小通常以分贝为单位来衡量。人耳刚能听见的声强是0分贝，普通谈话的声强是60-70分贝，凿岩机、球磨机的声强为120分贝，而使人耳产生疼痛感觉的声强是120分贝。1

分类根据声波频率的不同，可以分为以下几类：

频率低于20Hz的声波称为次声波或超低声；

频率20Hz~20kHz的声波称为可闻声；

频率20kHz~1GHz的声波称为超声波；

频率大于1GHz的声波称为特超声或微波超声。1

传播传播介质除了空气，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，所以声波就不能传播了。

声波的干涉在两个或更多声波相遇时，它们会彼此相加或减去，相互影响叠加，这种现象称为波的干涉。如果它们的波峰和波谷完全同相，则互相加强，因此产生的波形的振幅高于任何单个波形的振幅。如果两个波形的波峰和波谷完全异相，则会相互抵消，导致完全没有波形。

然而，在大多数情况下，各种声波会存在不同程度的异相，产生比单个波形更复杂的组合波形。例如，表示音乐、语音、噪声和其他声音的复杂波形结合了各种声音的波形。因为其独特的物理结构，单个乐器可以产生极复杂的声波。这就是小提琴和小号即使演奏相同音符但听起来不同的原因。

衰减一个声音在传播过程中将越来越微弱，这就是声波的衰减。造成声波衰减的原因有以下三个：

1、几何衰减

物体振动发出的声波向四周传播，声波能量逐渐扩散开来。能量的扩散使得单位面积上所存在的能量减小，听到的声音就变得微弱。几何衰减也叫作球面扩散衰减。3

2、经典吸收

声波在固体介质中传播时，由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能；同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的经典吸收现象。3通常认为，吸收衰减与声波频率的一次方、频率的平方成正比。

3、分子弛豫吸收

当声波通过介质时，会打破介质内部与外部自由度能量之间的平衡状态，导致内、外自由度能量的重新分配，建立新平衡状态，这一过程成为弛豫过程。建立平衡的过程是不可逆过程，因而伴随着熵的增长，导致有规的声能向无规的热能转化，即声波的弛豫吸收。3

应用接收器可记录到从地下介质传播而来的声波，通过分析接收到的声波走时、相位、振幅等动力学特征，可以得到介质的物理性质和力学特征，研究地球的内部物质组成和结构。如建筑工程学中的岩体声波探测技术，4油气勘探中的声波测井，5地球内部分层的研究。

此外超声波和次声波由于其特有的性质，还具有其他特殊的用途。

超声波1、超声波在媒质中传播时能量很大，引起介质微粒剧烈震动，利用这种现象可以制成各种器具。用超声波把治疗气喘用的药液击碎成很细的雾状液滴，药液就更容易进入气管的深部，疗效大大提高。

2、利用超声波可以把已封装的罐头食品消毒，细菌在超声波的作用下，因经受不起剧烈振动被“肢解”而死。

3、用超声波处理酒类，能使酒类很快陈华；用超声波处理刚放上盐的猪肉，只要一小时，就可获得酿制15天左右的效果；经过超声波处理的种子，可提高发芽率，收成也增加。这是由于超声波传播时，由于介质的分子振动引起化学反应或改变分子排列，从而改变物质的某些性质。6

次声波1．研究自然次声的特性和产生机制，预测自然灾害性事件。例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于台风移动速度，因此，人们利用一种叫“水母耳”的仪器，监测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报。利用类似方法，也可预报火山爆发、雷暴等自然灾害。

2．通过测定自然或人工产生的次声在大气中传播的特性，可探测某些大规模气象过程的性质和规律。如沙尘暴、龙卷风及大气中电磁波的扰动等。

3．通过测定人和其他生物的某些器官发出的微弱次声的特性，可以了解人体或其他生物相应器官的活动情况。例如人们研制出的“次声波诊疗仪”可以检查人体器官工作是否正常。

4．次声在军事上的应用，利用次声的强穿透性制造出能穿透坦克、装甲车的武器，次声武器——般只伤害人员，不会造成环境污染。