試驗發現:輕敲音叉,音叉振幅小,波形圖的幅度小,這時音叉發出的聲音也小;重敲音叉,音叉的振幅大,波形圖的幅度大,這時音叉發出的聲音也大。
說明:響度跟音叉振動的振幅有關。振幅越大,響度越大;振幅越小,響度越小。按頻率分類,頻率低於20Hz的聲波稱為次聲波;頻率20Hz~20kHz的聲波稱為可聽波;頻率20kHz~1GHz的聲波稱為超聲波;頻率大於1GHz的聲波稱為特超聲或微波超聲。
即使沒有其他聲源體的作用,空氣粒子總是在做無規則的震蕩,或者說它們總是在騷動,它們激發起微弱的“白噪聲”。絕對靜寂的大氣空間是不存在的。所謂背景噪聲還包括自然界或人類生活環境裏許多聲源體雜亂的聲音,對於言語交際來說它們沒有信息價值。居室四壁或陡峭的山坡還有回聲效應,噪聲被放大、被增強了。言語聲和它的滯後的回聲疊加在壹起,變成復雜的回響聲。電聲儀器設備裏也都有白噪聲。那種沒有通信價值的噪聲很強烈的時候人們會心煩意亂。有意思的是,在噪聲極小的消聲室待久了,人會感到不安寧。音樂中恰當使用沙錘之類的噪聲帶來的是藝術欣賞價值。
古時還有壹個有趣的故事,說的就是人們如何巧妙地消除***振的。唐朝時候,洛陽某寺壹僧人房中掛著的壹件樂器,經常莫名其妙地自動鳴響,僧人因此驚恐成疾,四處求治無效。他有壹個朋友是朝中管音樂的官員,聞訊特去看望他。這時正好聽見寺裏敲鐘聲,那件樂器又隨之作響。於是朋友說:妳的病我可以治好,因為我找到妳的病根了。只見朋友找到壹把鐵銼,在樂器上銼磨幾下,樂器便再也不會自動作響了。朋友解釋說這件樂器與寺院裏的鐘聲的***振頻率相合,於是敲鐘時樂器也就會相應地鳴響,現在把樂器稍微銼去壹點,也就改變了它的固有振動頻率,它就不再能和寺裏的鐘聲***鳴了。僧人恍然大悟,病也就隨著痊愈了。
大街上的行人、車輛的喧鬧聲、機器的隆隆聲——這些連綿不斷的噪聲不僅影響人們正常生活,還會損害人的聽力。於是人們發明了壹種消聲器,它是由開有許多小孔的孔板和空腔所構成,當傳來的噪聲頻率與消聲器的固有頻率相同時,就會跟小孔內空氣柱產生劇烈***振。這樣,相當壹部分噪聲能在***振時被“吞吃”掉,而且還能夠轉變為熱能來進行使用。
“聲源”在空氣中振動時,壹會兒壓縮空氣,使其變得“稠密”;壹會兒空氣膨脹,變得“稀疏”,形成壹系列疏、密變化的波,將振動能量傳送出去。這種媒介質點的振動方向與波的傳播方向壹致的波,稱為“縱波”。
我們如果對分子運動論很熟悉,就會知道,既然我們研究的介質分子是靜止的、均勻分布的,那麽,對於縱波來說,當振子向前運動時,它將占據前方原來均勻分布介質分子的空間,把原來的介質分子壓縮在壹個小空間中,形成壹個密部。密部的分子之間的距離變小,呈現的分子力是斥力。斥力使分子向周圍作離心運動。
離心運動的結果,使原來是密部的小空間變成疏部,而周圍的空間變成新的密部。那麽,宏觀地看,相當於原來密部變成疏部,而且密部傳播出去。那麽,新的疏部也傳播出去。不過要註意,聲波雖然壹般是縱波,但在固體中傳播時,也可以同時有縱波及橫波,橫波速度約為縱波速度的50%-60%。
在空氣中的聲波是縱波,原因是氣體及相當多的液體(合稱流體)不能承受切力,因此聲波在流體中傳播時不可能為橫波;但固體不僅可承受壓(張)應力,也可以承受切應力,因此在固體中可以同時有縱波及橫波。空氣粒子振動的方式跟聲源體振動的方式壹致,當聲波到達人的耳鼓的時候就引起耳鼓同樣方式的振動。驅動耳鼓振動的能量來自聲源體,它就是普通的機械能。
不同的聲音就是不同的振動方式,它們能夠起區別不同信息的作用。人耳能夠分辨風聲、雨聲和不同人的聲音,也能分辨各種言語聲,它們都是來自聲源體的不同信息波。
某些動物能通過口腔或鼻腔把從喉部產生的超聲波發射出去,利用折回的聲音來定向,這種空間定向的方法,稱為回聲定位。如“雷達飛獸”蝙蝠能在完全黑暗中,以極快的速度精確地飛翔,從不會同前方的物體相撞。如將它的耳蒙上,並把嘴堵上,則失去避免與物體相撞的本領。經高頻脈沖檢測裝置測量後,證實蝙蝠在飛行時,喉內產生並能從通過口腔發出人耳聽不到的超聲波脈沖。
人類至多能聽到頻率為20千赫的聲音,而有的蝙蝠能發出和聽到100千赫的聲音。當遇到食物或障礙物時,脈沖波會反射回來,蝙蝠用兩耳接受物體的反射波,並據此確定該物體的位置,並可從兩耳分別接受到回波間的差別,來辨別物體的遠近、形狀及性質;物體的大小則由回波中的波長區別出來。
大部分蝙蝠能用舌頭顫動發音,有些則發出尖的鳴叫聲,還有壹些能由鼻孔透出聲音。它們都有助於蝙蝠確定回波的方向,來決定自己要前進,還是轉彎。蝙蝠在空中能利用超聲波來“導航”,就能迅速準確捕捉飛蟲。此外,某些海洋哺乳類能在水下發出頻帶很寬的聲波,甚至高達30萬赫。如齒鯨、海豚,能借助於附近陸地對聲音的反射,用回聲定位來測定方向,得知物體或海岸的位置。某些海豹、海獅也能發出水下超聲波。
利用波在傳播過程中有反射現象的原理探測物體方位和距離的方式叫“回聲定位”。動物的“回聲定位”是指動物通過發射聲波,利用從物體反射回來的回波進行空間定向的方式,它有捕捉獵物和回避物體兩種作用。
根據研究已知動物界小蝙蝠亞目的幾乎所有種類、大蝙蝠亞目的果蝠屬、鯨目的齒鯨類、鰭腳目的海豹和海獅、食蟲目的馬島猬科、鼩鼱科的短尾鼩、南美的油鳥、東南亞的金絲燕及有些魚類都具有回聲定位的本領。它們的體內皆有完成回聲定位的天然聲納系統。聲納主要由“聲波發射器”、“回聲接收機”和“距離指示器”構成。
聲能的轉化既有物理變化,也有化學變化,因為這就是能量的轉化。媒介在聲能的作用下會產生壹系列效應,如力學效應、發熱發光效應、化學效應、放電效應和生物學效應等。聲音的傳播必須具備三要素:聲源,傳播媒介和接受器。
聲源是產生振動的物體;傳播媒介是能量流動的渠道;接受器是感受聲音的裝置。比如在彈奏樂器時,樂器是聲源,空氣是傳播媒介,耳朵是感受聲音的接受裝置。聲能的作用範圍形成了聲場。聲音的傳遞有能量損耗,也叫被吸收,當距離比較遠時,我們就聽不到聲音了,而且聲音的強弱變化與傳播距離的平方成正比 (平方反比定律)。
聲波在媒介中傳播時,如果沒有媒介來傳播,就不會產生出聲音。當聲波傳播到周圍界面時,會引起其他固體等的振動。海豚聲吶的靈敏度很高,能發現幾米以外直徑0.2mm的金屬絲和直徑lmm的尼龍繩,能區別開只相差200蔔s時間的兩個信號,能發現幾百米外的魚群,能遮住眼睛在插滿竹竿的水池子中靈活迅速地穿行而不會碰到竹竿;海豚聲吶的“目標識別”能力很強,不但能識別不同的魚類,區分開黃銅、鋁、電木、塑料等不同的物質材料,還能區分開自己發聲的回波和人們錄下它的聲音而重放的聲波;海豚聲吶的抗幹擾能力也是驚人的,如果有噪聲幹擾,它會提高叫聲的強度蓋過噪聲,以使自己的判斷不受影響;而且,海豚聲吶還具有感情表達能力,已經證實海豚是壹種有“語言”的動物,它們的“交談”正是通過其聲吶系統。
尤其是僅存於世的四種淡水豚中最珍貴的壹種-我國長江中下遊的白鰭豚,它的聲吶系統“分工”明確,有為定位用的,有為通訊用的,有為報,警用的,並有通過調頻來調制位相的特殊功能。聲音的強弱單位是“分貝”,數值越大,振幅就越大,聲音就越大,大到壹定程度時就變成了噪音。低到壹頂程度時,我們又感受不到聲音了,但它還是存在的。
不同的聲音可以代數疊加。超聲波是頻率高於20000赫茲的聲波,它方向性好,穿透能力強,易於獲得較集中的聲能,在水中傳播距離遠,可用於測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫,學、軍,事、工業、農業上有很多的應用。
超聲波因其頻率下限大約等於人的聽覺上限而得名。在振幅相同的條件下,壹個物體振動的能量與振動頻率成正比,超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率很高,因而能量很大。
超聲和可聞聲本質上是壹致的,它們的***同點都是壹種機械振動模式,通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播,是壹種能量的傳播形式,其不同點是超聲波頻率高,波長短,在壹定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性,目前腹部超聲成象所用的頻率範圍在 2∽5兆Hz之間,常用為3∽3.5兆Hz(每秒振動1次為1Hz,1兆Hz=10^6Hz,即每秒振動100萬次,可聞波的頻率在16-20,000HZ 之間)。
超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規律,與可聽聲波的規律沒有本質上的區別。但是超聲波的波長很短,只有幾厘米,甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較,超聲波具有許多奇異特性:傳播特性──超聲波的波長很短,通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍,因此超聲波的衍射本領很差,它在均勻介質中能夠定向直線傳播,超聲波的波長越短,該特性就越顯著。功率特性──當聲音在空氣中傳播時,推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。
在相同強度下,聲波的頻率越高,它所具有的功率就越大。由於超聲波頻率很高,所以超聲波與壹般聲波相比,它的功率是非常大的。空化作用──當超聲波在介質的傳播過程中,存在壹個正負壓強的交變周期,在正壓相位時,超聲波對介質分子擠壓,改變介質原來的密度,使其增大;在負壓相位時,使介質分子稀疏,進壹步離散,介質的密度減小,當用只夠大振幅的超聲波作用於液體介質時,介質分子間的平均距離會超過使液體介質保持不變的臨界分子距離,液體介質就會發生斷裂,形成微泡。這些小空洞迅速脹大和閉合,會使液體微粒之間發生猛烈的撞擊作用,從而產生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用,會使液體的溫度驟然升高,起到了很好的攪拌作用,從而使兩種不相溶的液體(如水和油)發生乳化,且加速溶質的溶解,加速化學反應。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應稱為超聲波的空化作用。
頻率高於2×10千赫茲的聲波。研究超聲波的產生、傳播、接收,以及各種超聲效應和應用的聲學分支叫超聲學。產生超聲波的裝置有機械型超聲發生器(例如氣哨、汽笛和液哨等)、利用電磁感應和電磁作用原理制成的電動超聲發生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應和鐵磁物質的磁致伸縮效應制成的電聲換能器等。
超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波流體介質中形成駐波時,懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節處,在空間形成周期性的堆積。超聲波的作用可促使發生或加速某些化學反應。例如純的蒸餾水經超聲處理後產生過氧化氫;溶有氮氣的水經超聲處理後產生亞硝酸;染料的水溶液經超聲處理後會變色或退色。這些現象的發生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學物質的水解、分解和聚合過程。
超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機物質的水溶液經超聲處理後,特征吸收光譜帶消失而呈均勻的壹般吸收,這表明空化作用使分子結構發生了改變。物體振動發出的聲波向四周傳播,聲波能量逐漸擴散開來。能量的擴散使得單位面積上所存在的能量減小,聽到的聲音就變得微弱。單位面積上的聲波能量隨著聲源距離的平方而遞減。
聲波在固體介質中傳播時,由於介質的粘滯性而造成質點之間的內摩擦,從而使壹部分聲能轉變為熱能;同時,由於介質的熱傳導,介質的稠密和稀疏部分之間進行熱交換,從而導致聲能的損耗,這就是介質的吸收現象。介質的這種衰減稱為吸收衰減。通常認為,吸收衰減與聲波頻率的壹次方、頻率的平方成正比。
當介質中存在顆粒狀結構(如液體中的懸浮粒子、氣泡,固體中的顆粒狀結構、缺陷、攙雜物等)而導致的聲波的衰減稱散射衰減。通常認為當顆粒的尺寸遠小於波長時,散射衰減與頻率的四次方成正比;當顆粒尺寸與波長相近時,散射衰減與頻率的平方成正比。噪音汙染按聲源的機械特點可分為:氣體擾動產生的噪音、固體振動產生的噪音、液體撞擊產生的噪聲以及電磁作用產生的電磁噪聲。噪聲按聲音的頻率可分為:1000Hz的高頻噪聲。
噪音按時間變化的屬性可分為:穩態噪音、非穩態噪音、起伏噪音、間歇噪聲以及脈沖噪音等。聲在傳播中的能量是隨著距離的增加而衰減的,因此使噪聲源遠離需要安靜的地方,可以達到降噪的目的。聲的輻射壹般有指向性,處在與聲源距離相同而方向不同的地方,接收到的聲強度也就不同。
不過多數聲源以低頻輻射噪聲時,指向性很差;隨著頻率的增加,指向性就增強。應用吸聲材料和吸聲結構,將傳播中的噪聲聲能轉變為熱能等。當入射聲能被完全反射時, α=0,表示無吸聲作用;當入射聲波完全沒有被反射時, α=1,表示完全被吸收。
壹般材料或結構的吸聲系數 α=0~1, α值越大,表示吸聲能越好,它是目前表征吸聲性能最常用的參數。吸聲是聲波撞擊到材料表面後能量損失的現象,吸聲可以降低室內聲壓級。描述吸聲的指標是吸聲系數a,代表被材料吸收的聲能與入射聲能的比值。
理論上,如果某種材料完全反射聲音,那麽它的a=0;如果某種材料將入射聲能全部吸收,那麽它的a=1。事實上,所有材料的a介於0和1之間,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。 不同頻率上會有不同的吸聲系數。人們使用吸聲系數頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO標準和國家標準,吸聲測試報告中吸聲系數的頻率範圍是100-5KHz。將 100-5KHz的吸聲系數取平均得到的數值是平均吸聲系數,平均吸聲系數反映了材料總體的吸聲性能。
在工程中常使用降噪系數NRC粗略地評價在語言頻率範圍內的吸聲性能,這壹數值是材料在250、500、1K、2K四個頻率的吸聲系數的算術平均值,四舍五入取整到0.05。壹般認為NRC小於0.2的材料是反射材料,NRC大於等於0.2的材料才被認為是吸聲材料。當需要吸收大量聲能降低室內混響及噪聲時,常常需要使用高吸聲系數的材料。如離心玻璃棉、巖棉等屬於高NRC吸聲材料,5cm厚的24kg/m3的離心玻璃棉的NRC可達到0.95。
聲級計壹般由電容式傳聲器、前置放大器、噪音計圖片衰減器、放大器、頻率計網絡以及有效值指示表頭等組成。聲級計的工作原理是:由傳聲器將聲音轉換成電信號,再由前置放大器變換阻抗,使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到網絡,對信號進行頻率計權(或外接濾波器),然後再經衰減器及放大器將信號放大到壹定的幅值,送到有效值檢波器。