机械、纵向和压力波 声音其实就是这三样东西：机械波，纵波和压力波。1. 机械波 介质是一系列相互联系、相互作用的粒子，由于声音的传播需要粒子与粒子之间的相互作用，所以声音被定义为机械波。 音叉 还记得我们上学时候体检吗？音叉是我们最熟悉的东西，也是产生声波最简单、最直接的方法！那么音叉是怎样发出声音的？音叉通过前端的来回振动，扰乱空气分子，干扰会随即传递给相邻的空气分子，就产生了典型的机械波，这时体检老师把音叉放在你一侧的耳朵旁，振动的空气分子被你的耳朵捕捉到，恭喜你，你通过了听力测试！ 我们需要知道，机械波与电磁波不同，机械波不能在真空中传播。 2. 纵波 声波就是一种典型的纵波，横波的传播方向垂直于振动粒子，而纵波与振动粒子的传播方向相同。如果你有一根弹簧，要产生横波必须拿着弹簧的一段上下移动，要产生纵波就需要拿着弹簧的一端前后移动。 纵波 如果这时你又波动了一根琴弦，像弹簧中同样的事情也发生在振动的弦上。当一个振动的弦向前移动时，它会推动空气分子向前移动，前方的空气分子瞬间被压缩，这就形成了一个高密度、高压区域，高密度区域的空气分子会继续推动更前方的空气分子。当振动的弦向后移动时，弦前方的空气压力会瞬间降低，形成一个低密度区域，周围的空气分子会立刻补充进来，琴弦往复运动，纵波就产生了。我们需要知道的是，琴弦的振动发生是双向的，琴弦的前后振动都能发出声音，上面只描述了一种情况。我们听到的声音是空气粒子运动的结果。 3. 压力波 声音是一种压力波，压力波与粒子的密度有关。压缩和膨胀是介质中运动的高压和低压区域。高压对应压缩和正振幅，低压对应膨胀和负振幅，如下图所示： 球形压力波 频率、音调和听觉 我们已经对声波下了定义。声波和其他波一样也具有周期、频率、振幅和传播速度这些物理量。当波穿过介质时，介质中的粒子振动的频率就是波的频率。表示为每单位时间内介质粒子的完成往复振动的次数，以赫兹 (Hz) 为单位。介质中的每一个粒子具有相同的频率振动。波的周期是一个粒子在介质上完成一个完整振动循环所需要的时间，在声波中，我们可以把周期看成是连续高压点之间的时间或者连续低压点之间的时间。由于周期和频率是相互关联的，所以高频声波周期小，低频声波周期大，如图所示： 在音乐中人们所说的音高是指声音的频率，高频具有高音调，低频具有低音调。音乐中有与频率比率有关的音程，频率比为2:1的声音被称为八度音，5:4的声音称为三度音，4:3的声音称为四度音，3:2的声音称为五度音。任何音符都有一个独特的频率，任何物体都有一个可以振动的固有频率。音乐家使用的乐器能够以特定的频率振动。 声音强度的分贝标度 声音的强度和分贝之间的关系就和距离跟米一样，一个用来度量和表示另一个。测量声音强度的尺度是分贝标度。要了解声波的强度，我们必须提到振幅，为什么是振幅呢?想象一下，你用不同的力量去波动吉他弦。具有较高振幅的振动将赋予介质更多的能量，这样空气粒子将移动到更远的距离。声波强度公式为： 听觉阈值(TOH)是人类耳朵能探测到的最微弱的声音。听力阈值一般为10-12 W/m2或0分贝。分贝是对数标度（以10的幂为基础），用它来表示声功率级。 声 速 我们之前说过频率是每单位时间内单个粒子振动的次数，因此频率与距离无关，也与速度无关。因为速度的定义是每单位时间内移动的距离。密度是影响声速的另一个重要的因素。如果介质密度越大，声音传播的速度就越快。但是弹性特性比密度对声速有更大的影响。 再看一遍上面的表格，你会发现似乎有不对的地方。我刚才说过声音在密度更大的材料中传播得更快。20°C的冷空气比40°C的冷空气密度更大，然而，声音在40°C时却传播得更快。你能想到为什么吗？ 因为气体温度的升高使分子运动速度加快，这就解释了声速的增加。弹性和密度对声速的影响通常用牛顿-拉普拉斯方程来表示，该方程表示声速与介质体积模量和其密度之比的平方根成正比。 声波也和其他波一样，通过频率和周期也可以计算出波速：v=f×λ。 来源：头条号 量子科学论 |
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