声音的产生与传播

官方物理老师·11 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·3 天前
声现象机械波振动传播

声音的产生与传播

搞清振动如何生声、声波如何传声:物理图像全拆解

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声现象机械波振动传播

声音的产生与传播

搞清振动如何生声、声波如何传声:物理图像全拆解

1第 1 页 · 声音的产生与传播

通过现象判断振动

上页说声音源于振动——但日常里我们大多看不到声带、琴弦、鼓面在动。怎么知道它们真的在振动?这就要靠「间接证据」。

直接观察的局限
频率过高(人眼难跟踪十几赫兹以上)或振幅太小,或藏在物体内部(声带、喇叭),直接观察往往失效
三类间接证据
听觉(听到声音)、触觉(手贴喇叭感到震动)、视觉副作用(音叉触水溅起水花)
能量必有去向
振动是能量的一种形式,根据守恒律,必以声能、动能、热能等形式外显,否则能量凭空消失
多证据交叉验证
单一证据易混淆(听见声音未必来自眼前物体),多类证据同时出现才能确证
医生通过症状诊断疾病对应 →通过现象判断振动

看不到病毒,通过发烧、咳嗽等推断;看不到声带振动,通过声音、触感等推断

2第 2 页 · 通过现象判断振动

声音的产生

上一页我们能从琴弦颤动等现象判断物体在振动。现在把镜头推近声源:它怎样把局部往复运动,变成向外的扰动?

声音
声音是声源振动产生、通过介质传播的机械波;介质可以是空气、液体或固体。
振动起点
鼓面、琴弦或扬声器膜片先在平衡位置附近往复运动,扰动由此开始。
能量传递
介质质点主要在原地附近振动,向外传播的是扰动与能量。
频率与振幅
频率主要决定音调,振幅主要影响响度;距离和听觉也会参与。
电声应用
扬声器把电信号变成膜片振动,话筒则把振动转成电信号。
水面投下一颗小石子对应 →声源振动产生声波

石子先让局部水面起伏,扰动向四周传开;声源先让空气出现疏密变化,能量向外传。

3第 3 页 · 声音的产生

振动

上一页我们看到,鼓面、琴弦发声时都在"动"。但这种动不是随意的——它有自己的名字、自己的规律。今天我们就来专门看清这个"动"到底是什么。

振动定义
物体围绕某个中心位置来回往复的运动
平衡位置
物体静止时所在的位置,是振动的中心
周期与频率
完成一次往复的时间为周期 T,每秒往复次数为频率 f
回复力
把物体拉回平衡位置的力,如弹簧弹力、重力分量
典型振动
钟摆、音叉、琴弦、扬声器膜片都在振动
碗里滚动的小球对应 →振动

碗底是平衡位置,重力是回复力,小球来回滚就是振动

T=1fT=\dfrac{1}{f}
4第 4 页 · 振动

声波

振动是声音的源头,但声音能传几十米远,靠的并不是振动本身——而是振动在介质中激起的一圈圈「扰动」。这种扰动,就是声波。

机械波
靠介质粒子相互作用传递振动能量,粒子只在原位附近振动,不随波迁移
纵波(疏密波)
空气中沿传播方向出现疏密相间的区域,振动方向与传播方向平行
传播三要素
需介质(真空不能传声)、有声速(空气中约340m/s)、有能量随波传递
v = fλ
声速、频率、波长的关系;频率决定音高,波速由介质决定
弹簧上推一下对应 →空气中的声波

弹簧圈不挪地方,疏密状态却传到另一头——传递的是扰动而非物质

v=fλv = f\lambda
5第 5 页 · 声波

介质

上页讲完声波是振动在传播,那它靠什么传?把闹钟扣进玻璃罩、抽走空气,铃声就消失了——可见传声离不开某种「载体」,这个载体就是介质。

介质的定义
声音传播所依赖的物质,是声波的载体
三态都能传声
固体、液体、气体都可作为声音传播的介质
真空不能传声
没有介质时声波无法传播,真空中完全听不到声音
不同介质声速不同
通常v固>v液>v气,密度与弹性共同决定速度
微信消息要靠网络对应 →声音传播要靠介质

没网络消息发不出去,没介质声音也传不出去;网络是消息的载体,介质是声波的载体

6第 6 页 · 介质

声速

看烟花时,你总是先看到爆炸的火光,隔一两秒才听到「砰」——这就是声速有限的证据。从前页的「声波」到这页的「声速」,我们关心:它有多快?由什么决定?

定义
声波在介质中单位时间内传播的距离,单位 m/s
决定因素
由介质的弹性模量与密度共同决定——弹性越强、密度越小,声速越大
典型数值
空气约340 m/s,水约1500 m/s,钢约5000 m/s
典型应用
回声测距、声呐定位、用雷声与闪电的时差推算距离
不同路面跑步对应 →声速随介质变化

沥青路上跑得最快,沙地上最慢——介质越致密、弹性越好,「接力」越快

c=Kρc = \sqrt{\dfrac{K}{\rho}}
7第 7 页 · 声速

回声

在山谷里大喊一声,过一会儿你会听到自己的声音又'回来'了。这是怎么发生的?声波撞到远处的山壁被弹了回来——这就是回声,是反射现象最直观的案例。

回声 = 反射的声波
声波传播中遇到障碍物后反弹回来,再次被人耳接收
能听清的条件
原声与回声的时间间隔 ≥ 0.1 秒,否则混在一起分不开
0.1秒 ≈ 17米
声速约340 m/s,0.1秒声波往返约34米,单程约17米
现实应用
声呐测海深、B超成像、蝙蝠捕食,都靠这个原理
对着墙扔球弹回对应 →回声(声波撞墙反弹)

声波像球撞硬墙会反弹;墙越远,球飞得越久,回声来得越迟

d=vt2d = \frac{v \cdot t}{2}
8第 8 页 · 回声

骨传导

捂住耳朵嚼饼干,你依然能听到'咔嚓'声——声音绕过了外耳和中耳,直接从颅骨钻进了内耳。这就是骨传导。

传导原理
振动不经空气,而是沿颅骨直接传入内耳耳蜗,刺激听觉神经
路径对比
空气传导:外耳→鼓膜→听小骨→耳蜗;骨传导跳过前三站,直达耳蜗
效率优势
固体中质点耦合紧密,振动几乎无漏损,低频段效率远高于空气路径
应用与意义
医学上鉴别听力损伤部位;贝多芬耳聋后咬木棒听钢琴;现代骨传导耳机
隔着墙听 vs 贴着墙听对应 →空气传导 vs 骨传导

空气层像一堵墙吸掉大部分能量;贴着墙时振动沿墙体直达耳边

9第 9 页 · 骨传导

本节要点

  • 声音的本质是振动,传播的是能量而非物质
  • 产生与传播是两件事:振动源与介质缺一不可
  • 声速取决于介质与温度,固体传声最快
  • 骨传导绕过空气路径,回声是延时足够的反射
延伸主题:声音的特性:响度、音调、音色多普勒效应噪声与控制
10第 10 页 · 本节要点

课后思考

先自己思考再看参考答案,三题对应回顾、应用、迁移三个层次。

1人说话靠什么振动发声?蝉鸣和笛子发声时,又是哪个部分在振动?

参考答案人说话靠声带振动;蝉鸣靠腹部鼓膜振动;笛子靠内部空气柱振动。三者部位不同,但共同点都是振动——这就是'声音源于振动'的依据。

2宇航员在太空中如何对话?如果把空气抽走,钟还能被敲响吗?

参考答案声音靠介质传播,太空接近真空,宇航员须用无线电(电磁波)对讲。钟仍能被敲响——振动本身可以发生,只是振动产生的声音无法在真空中传出。

3敲一根足够长的钢管一端,另一端有时会听到两声,这是为什么?

参考答案声音在钢管中的传播速度远快于空气。一次经钢管传来,一次经空气传来,两种介质声速差异巨大,所以一前一后听到两声。

11第 11 页 · 课后思考
声音的产生与传播 · 知识图解