聲學(xué)知識(shí)科普

聲學(xué)知識(shí)科普第1頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲音的產(chǎn)生

我們周圍是充滿聲音的世界。不論是有生命或者無生命的各個(gè)角落里，到處都充滿著聲音。正是由于聲音的存在，人們才能互相交談，表達(dá)感情，我們才能聽廣播，欣賞音樂。可見，聲音同人們的生活是這樣的緊密相關(guān)，那么聲音究竟是怎樣發(fā)生的呢？我們稍微留意地觀察以下所聽到的聲音，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們的根源都來自于物體的振動(dòng)。聲音是一種連續(xù)的波。第2頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三我們把能夠發(fā)出聲音的物體叫做聲源，但聲源不一定非是固體不成，氣體和液體也一樣會(huì)因振動(dòng)而發(fā)聲。比如說笛子就是靠空氣柱的振動(dòng)發(fā)聲，汽笛就是靠蒸汽通過汽笛時(shí)振動(dòng)發(fā)聲的，海水的波浪聲，就是液體振動(dòng)的結(jié)果。

第3頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲音的傳播

然而，僅僅依靠振動(dòng)我們也無法聽到悅耳的聲音，聲音的傳播需要物質(zhì)，物理學(xué)中把這種物質(zhì)叫做聲的介質(zhì)。但聲音是無法在真空中傳播的。我們來看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：如果把一個(gè)鐘放在一個(gè)帶抽氣機(jī)的大玻璃瓶里，當(dāng)瓶里空氣沒有抽出時(shí)，鐘的滴答聲聽得很清楚；當(dāng)空氣逐漸被抽出時(shí)，滴答聲就逐漸減小了；當(dāng)空氣抽到真空時(shí)，鐘聲也就聽不見了。

空氣抽到真空第4頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三頻率

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)彈性波就叫做聲波，一定頻率范圍的聲波作用于人耳就產(chǎn)生了聲音的感覺。敲一下音叉，它就會(huì)一來一回的擺動(dòng)。這個(gè)有規(guī)則的擺動(dòng)就叫振動(dòng)。音叉往返一次算作一次振動(dòng)，每秒振動(dòng)的次數(shù)叫頻率，用來表示，單位是赫。1千赫或1000赫表示每秒經(jīng)過一給定點(diǎn)的聲波有1000個(gè)周期。但不是所有的振動(dòng)人耳都聽得見，只有頻率為20～20000赫的振動(dòng)人耳才能產(chǎn)生聲音的感覺。低于20赫的聲波叫次聲，高于20000赫的聲音叫超聲。第5頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三雖然正常人能夠聽見20Hz到20000Hz的聲音，但老年人的高頻聲音減少到10000Hz（或可以低到6000Hz）左右。超聲波（高于20000Hz）和正常聲波（20Hz-20000Hz）遇到障礙物后會(huì)向原傳播方向的反方向傳播，而部分次聲波（低于20Hz）可以穿透障礙物，俄羅斯在北冰洋進(jìn)行的核試驗(yàn)產(chǎn)生的次聲波曾經(jīng)環(huán)繞地球6圈。超低頻率次聲波比其他聲波（10Hz以上的聲波）更具對(duì)人的破壞力，一部分可引起人體血管破裂導(dǎo)致死亡，但是這類聲波的產(chǎn)生條件極為苛刻，能讓人遇上的幾率很低。第6頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三人的發(fā)聲頻率在100Hz（男低音）到10000Hz（女高音）范圍內(nèi)。

蝙蝠就能夠聽見頻率高達(dá)120000赫的超聲波，它發(fā)出的聲波頻率也可達(dá)到120000赫。蝙蝠發(fā)出的聲音，頻率通常在45000赫到90000赫范圍內(nèi)。狗能夠聽見高達(dá)50000赫的超聲波，貓能夠聽見高達(dá)60000赫以上的超聲波，但是狗和貓發(fā)出的聲音，都在幾十到幾千赫的范圍內(nèi)。需要提醒一下，在空氣中傳播的聲波只是波動(dòng)形式，空氣本身并不傳走，它只是在原地振動(dòng)。這如同水波一樣，在水上的漂浮物只是來回振動(dòng)，并不傳走，傳走的只是水波的波動(dòng)形式。注意第7頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲速

聲波在一定介質(zhì)中傳播的速度叫聲速，用c來表示，單位是米/秒。在常溫（20℃）和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣中的聲速是344米/秒。但聲速不是固定不變的，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，聲速也隨著發(fā)生變化，在0℃時(shí)，聲速c=331.5米/秒，每增加1℃，聲速增加0.607米/秒。在不同的介質(zhì)中，聲速也是不同的。第8頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三第9頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲波聲波波長(zhǎng)，聲速c，頻率是聲波的三個(gè)基本量，它們之間的關(guān)系為。在常溫下，在空氣中，當(dāng)f=20赫時(shí)，=17.2米，當(dāng)f=2000赫時(shí)，=1.72厘米。因此，在常溫下，空氣中人耳可聽聲波的波長(zhǎng)在1.72厘米～17.2米之間。由此可看出，聲音的頻率高，波長(zhǎng)就短；頻率低，波長(zhǎng)就長(zhǎng)。第10頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲波的傳播特性——反射當(dāng)聲波遇到障礙物時(shí)，就像皮球碰在墻上一樣，會(huì)發(fā)生反射。在一個(gè)封閉的房子里，聲波向四面八方傳播，碰到墻、頂棚、地面、家具等就會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象。反射聲的存在，會(huì)使原來的聲音加強(qiáng)。由于反射聲的存在，當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，短時(shí)間還能聽到聲音，這叫做混響聲。在噪聲控制中，用吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)在房屋內(nèi)表面做飾面就是為了減弱這個(gè)因反射而產(chǎn)生的混響聲。從而使整個(gè)房間的噪聲降低。第11頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲波的傳播特性——折射

聲波在傳播過程中，遇到不同特性阻抗（特性阻抗是介質(zhì)的密度和該介質(zhì)中的聲速的乘積，單位是瑞利）的界面時(shí)，如從空氣入射到鋼板上，除了反射外，還將發(fā)生折射現(xiàn)象。當(dāng)介質(zhì)存在溫度差時(shí)，特性阻抗也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，聲波亦將發(fā)生折射現(xiàn)象。當(dāng)有風(fēng)時(shí)，亦將發(fā)生聲音的折射現(xiàn)象。一般地說，因?yàn)榈孛嫔嫌姓系K物，地面的風(fēng)速總要比上層空間的小。因此，在順風(fēng)時(shí)，聲音在上層傳播得快，向下折射，而在逆風(fēng)時(shí)，聲音在地面?zhèn)鞑サ每?，相聲折射。這就是順風(fēng)說話，老遠(yuǎn)的就可聽見，而逆風(fēng)說話，人們很不容易聽見的道理。第12頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三回音壁——完美的折射回音壁，是天壇中存放皇帝祭祀神牌的皇穹宇外圍墻。墻高3.72米，厚0.9米，直徑61.5米，周長(zhǎng)193.2米。整個(gè)圍墻都很光滑。只要有人對(duì)著這個(gè)墻壁說話（如圖中A處），由于聲波沿著它的內(nèi)壁多次反射，站在內(nèi)墻下任何位置的人都可以清楚地聽到他的聲音，并且覺得聲音是從臨近的墻壁處傳來的。天壇的這些建筑物中充分體現(xiàn)了聲音反射的原理，是我國(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)建筑聲學(xué)的一大貢獻(xiàn)。第13頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲波的傳播特性——繞射

聲波在傳播過程中，遇到障礙物或孔洞時(shí)，當(dāng)波長(zhǎng)比障礙物或孔洞大得多時(shí)，會(huì)發(fā)生繞射現(xiàn)象。低頻聲波波長(zhǎng)達(dá)十來米，所以很容易繞射過去。如果墻上有孔洞，很容易發(fā)生低頻的“漏聲”。

在建筑規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到聲波的反射、折射、繞射現(xiàn)象，以達(dá)到理想的聲學(xué)效果。此外，聲波在傳播時(shí)，還可以相互疊加，這叫做聲波的干涉，大家也應(yīng)該有所注意。第14頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲波的輻射

下面我們來關(guān)注一下聲波輻射的具體細(xì)節(jié)。當(dāng)聲源的尺寸與波長(zhǎng)比起來很小的時(shí)候，聲波成球面波的形狀從聲源較均勻地向各個(gè)方向輻射，沒有方向性，這種聲源叫做點(diǎn)聲源。當(dāng)聲源的尺寸比波長(zhǎng)大時(shí)，輻射出的聲波以略微發(fā)散的聲束傳播著。波長(zhǎng)與聲源的尺寸相較越小，聲束的發(fā)散角越小，其方向性越強(qiáng)。當(dāng)聲波波長(zhǎng)與聲源尺寸相比非常小時(shí)，聲波幾乎以不發(fā)散的聲束成平面波的形狀從聲源向外界傳播。我們知道，低頻聲波波長(zhǎng)長(zhǎng)、高頻聲波波長(zhǎng)短。因此，在某一聲源的背面，與正面相比，聽起來低音相差不大，而高音差得很遠(yuǎn)。

第15頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三點(diǎn)聲源---球面波線聲源---平面波第16頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲波的衰減在大多數(shù)情況下在大多數(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，即當(dāng)離聲源的距離增為2、3、4、5倍時(shí)，聲音的強(qiáng)度將相應(yīng)地減為、、、。這是因?yàn)槁曉疵棵腌姲l(fā)出的能量是一個(gè)恒量，離開聲源的距離越大，能量的分布面也越大，因此，通過單位面積的能量就越小。這也就是離聲源距離越近，聲音越強(qiáng)，離聲源的距離越遠(yuǎn)，聲音越弱的原因。這叫做聲波的距離衰減。第17頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三在距離聲源很遠(yuǎn)的地方，以及在通道和管子中聲波一般成平面波的形狀傳播。

另外，聲波在遠(yuǎn)距離中傳播時(shí)，總有一部分能量被空氣吸收，由于空氣吸收而引起的聲衰減與聲波的頻率、空氣的溫度、溫度有關(guān)。高頻聲波比低頻聲波衰減的快，因此，我們聽到原來的飛機(jī)聲音主要是低頻成分。但隨著飛機(jī)據(jù)我們的距離越來越近，高頻成分也就逐漸增加了。第18頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三我們與聲音

了解了聲音本身的一些性質(zhì)，我們現(xiàn)在再來看看人耳是如何感知聲音的。首先我們來看看人耳的構(gòu)造：人的耳朵是由外耳、中耳和內(nèi)耳三部分組成的。第19頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三人可以通過兩種途徑聽到聲音：

第一種途徑：外界聲音——鼓膜——聽小骨及其它組織——聽覺神經(jīng)——大腦

第二種途徑（骨傳導(dǎo)）：

聲音——頭骨、頜骨——聽覺神經(jīng)——大腦

正常人通過這兩種途徑都能聽到聲音；耳聾的人則是通過第二種途徑聽到聲音。

偉大的音樂家貝多芬耳聾后就是用牙咬住木棒的一端，另一端頂在鋼琴上聽自己演奏的琴聲。第20頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲音的量度我們聽起來，有的聲音大，有的聲音小，那么究竟用什么尺度來衡量聲音的大小呢？原來聲波是疏密波，它使空氣時(shí)而變密，時(shí)而變稀?？諝庾兠?，壓強(qiáng)就增高；空氣變稀，壓強(qiáng)就降低。這樣，由于聲波的存在，使大氣壓產(chǎn)生迅速的起伏。這個(gè)起伏部分稱為聲壓，聲壓越大，聲音越強(qiáng)，聲壓越小，聲音越弱，人們就用聲壓作為衡量聲音大小的尺子。正常人耳剛剛聽到的得聲音的聲壓稱為可聽閾聲壓，而當(dāng)聲壓使人耳產(chǎn)生疼痛感覺稱為痛閾聲壓。第21頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲壓級(jí)但是從聽閾到痛閾，聲壓的絕對(duì)值相差一百萬倍。用聲壓的絕對(duì)值來表示聲音的強(qiáng)弱是很不方便的。為了方便起見，人們便引出一個(gè)成倍比關(guān)系的對(duì)數(shù)量——級(jí)，來表示聲音的大小，這就是聲壓級(jí)。這正如風(fēng)級(jí)按級(jí)分、地震按級(jí)算一樣。聲壓級(jí)的單位是分貝。分貝又是什么呢？它是一個(gè)相對(duì)單位，沒有量綱，它來源于電訊工程，在電訊工程中，常用兩個(gè)功率比的常用對(duì)數(shù)來表示放大器的增益，這樣得出的單位叫貝爾。分貝是貝爾的十分之一，因此分貝就是十乘以兩個(gè)功率比值的常用對(duì)數(shù)的單位。第22頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三

從這里我們可以直觀的看出在我們生活中出現(xiàn)的聲音所對(duì)應(yīng)的分貝值。第23頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲音的其他表征聲波作為一種波動(dòng)形式，當(dāng)然是具有一定的能量，人們也常常用能量的大小來表征聲輻射的強(qiáng)弱，這就引出了聲強(qiáng)和聲功率兩個(gè)物理量。聲強(qiáng)是在聲傳播的方向上，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的聲能量。聲功率是聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出來的總能量。與聲壓一樣，聲強(qiáng)和聲功率也用級(jí)來表示，這就是聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)，其單位也是分貝。第24頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲音的頻譜聲音，有的低沉，有的尖銳。這是因?yàn)槁曇艟哂兄煌念l率。頻率低，音調(diào)低，聲音低沉；頻率高，音調(diào)高，聲音尖銳。作為可聞聲音，頻率從20～20000赫，有1000倍的變化范圍。為了方便起見，人們把一個(gè)寬廣的聲頻范圍劃為幾個(gè)小的頻段，這就是通常所說的頻帶或頻程。我們以頻率（頻帶）為橫坐標(biāo)，以聲壓級(jí)（聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)）為縱坐標(biāo)，作出噪聲測(cè)量圖形，就可以清楚地了解該噪聲的成分和性質(zhì)，這就叫做頻譜分析。第25頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三

這就是某兩段噪聲

的頻譜分析。第26頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三聲音的特性——樂音樂音的三要素：音調(diào)、響度和音色。第27頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三關(guān)于噪聲——定義

人們的日常生活是離不開聲音的。但當(dāng)人們睡覺或者需要安靜時(shí)，聲音就成為不需要的了；當(dāng)聲音達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，對(duì)人們的身體健康還有危害。這種聲音就是噪聲。那么，噪聲的定義是什么？它與樂音又有什么區(qū)別呢？第28頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三從物理學(xué)觀點(diǎn)講，噪聲就是各種不同頻率和聲強(qiáng)的聲音的無規(guī)律的雜亂組合，如汽車的轟隆聲等等，它的波形圖是沒有規(guī)則的非周期性的曲線；樂音是有規(guī)律的振動(dòng)產(chǎn)生的，它的波形圖是周期性的曲線。鋼琴、琵琶等弦樂器，笛、黑管等管樂器發(fā)出的就是樂音。從生理學(xué)觀點(diǎn)講，凡是使人煩躁的、討厭的、不需要的聲音都叫噪聲。從這個(gè)意義上來說，噪聲和樂音就很難區(qū)分了。如：一個(gè)人演奏鋼琴，理應(yīng)屬于樂音，但對(duì)于正在睡覺或思考問題的鄰居來說，就成了討厭的噪聲。第29頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三

樂音的波形圖噪聲的波形圖第30頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三噪聲的分類那么，如何更深入地認(rèn)識(shí)噪聲呢？這里先讓我們對(duì)噪聲的分類進(jìn)行一些了解。噪聲可以從很多方面來分類，例如為區(qū)分由于自然現(xiàn)象和人為產(chǎn)生的噪聲，可以分為自然噪聲和人為噪聲；又如，按頻率分布，把噪聲分為低頻（<500Hz）、中頻（500Hz～1000Hz）和高頻（>1000Hz）噪聲。所以，不同的分類法，有時(shí)對(duì)同一噪聲可以有不同的名稱。第31頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三按城市環(huán)境噪聲分類，我們將噪聲分為交通噪聲、工業(yè)噪聲、建筑施工噪聲、社會(huì)生活噪聲。交通噪聲，顧名思義就是包括道路機(jī)動(dòng)車輛、內(nèi)河航運(yùn)船舶、鐵路車輛以及飛機(jī)等的噪聲；工業(yè)噪聲主要是工廠的各種動(dòng)力設(shè)備、加工機(jī)械、生產(chǎn)設(shè)備等產(chǎn)生的噪聲；建筑施工噪聲，主要來源于建筑機(jī)械發(fā)出的噪聲；社會(huì)生活噪聲，這包括了人們的社會(huì)活動(dòng)和家用設(shè)備發(fā)出的噪聲。第32頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三按噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，可分為機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力性噪聲和電磁噪聲。機(jī)械噪聲是由于機(jī)械部件之間在摩擦力、撞擊力和非平衡力的作用下振動(dòng)而產(chǎn)生的。簡(jiǎn)而言之，是固體振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲；空氣動(dòng)力性噪聲是由于氣體振動(dòng)產(chǎn)生的，當(dāng)氣體中有了渦流，或發(fā)生了壓力突變等，引起氣體的擾動(dòng)，就產(chǎn)生了空氣空氣動(dòng)力性噪聲；最后來看看電磁噪聲，它是由于電機(jī)的空氣隙中交變力相互作用而產(chǎn)生的。第33頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三噪聲的主觀評(píng)價(jià)聲壓是噪聲的基本物理參數(shù)，但人耳對(duì)聲音的感受不僅和聲壓有關(guān)，而且也和頻率有關(guān)，聲壓級(jí)相同而頻率不同的聲音聽起來和可能是不一樣的。如大型離心壓縮機(jī)機(jī)體噪聲和小汽車車內(nèi)的噪聲，聲壓級(jí)都是90分貝，可是前者是高頻，后者是特低頻，聽起來前者比后者響得多。刺耳低沉第34頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三噪聲的主觀評(píng)價(jià)——響度級(jí)根據(jù)人耳這個(gè)特性，人們仿照聲壓級(jí)的概念，引出一個(gè)與頻率有關(guān)的響度級(jí)，其單位是方。就是選擇1000赫的純音作為基準(zhǔn)聲音，某噪聲聽起來與該純音一樣響，該噪聲的響度級(jí)（方值）就等于這個(gè)純音的聲壓級(jí)（分貝值）。如果某噪聲聽起來與聲壓級(jí)85分貝、頻率1000赫的基準(zhǔn)聲音同樣響，則該噪聲的響度級(jí)就是85方。響度級(jí)是表示聲音響度的主觀量，它把聲壓級(jí)和頻率用一個(gè)單位統(tǒng)一起來了。第35頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三噪聲測(cè)量以上都是在圍繞理論來描述聲音，而實(shí)際生活中，想要研究聲音，首先要做的事，就是將它測(cè)量出來。噪聲測(cè)量不僅是我們了解聲音的重要途徑，也是對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)價(jià)和控制的重要手段。常用的噪聲測(cè)量?jī)x器有聲級(jí)計(jì)、頻譜儀、電平記錄儀和磁帶記錄儀等。聲級(jí)計(jì)是一種按照一定的頻率計(jì)權(quán)和時(shí)間計(jì)權(quán)測(cè)量聲音的聲壓級(jí)和聲級(jí)的儀器，也是聲學(xué)測(cè)量中最常用的基本儀器。第36頁，講稿共42頁，2023年5月2日，星期三噪聲的危害

上面提到，凡是使人煩躁的、討厭的、不需要的聲音都叫噪聲。那么噪聲對(duì)我們究竟有什么危害呢？噪聲可以使人耳聾（只要你離開噪聲場(chǎng)所到安靜的環(huán)境中聽一段時(shí)間，聽覺就會(huì)逐漸恢復(fù)原狀，這個(gè)現(xiàn)象叫做暫時(shí)性聽閾偏移。）噪聲引起多種疾?。ㄖ袠邢到y(tǒng)、心血管系統(tǒng)等）噪聲影響正常生活（街道汽車噪聲、火車的噪聲、飛機(jī)噪聲、城市施工噪聲、工廠噪聲、噪聲級(jí)對(duì)談話聲干擾、交通噪聲。）噪聲降低勞動(dòng)生產(chǎn)率噪聲損害建筑物（噴氣飛機(jī)對(duì)使建筑物受損的事件中，抹灰開裂的占43%，窗損壞的占32%