《声学知识科普》PPT课件

伟大的音乐家贝多芬耳聋后就是用牙咬住木棒的一端，另一 端顶在钢琴上听自己演奏的琴声。
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声音的量度
我们听起来，有的声音大，有的声音小，那么究竟用什么尺 度来衡量声音的大小呢？
原来声波是疏密波，它使空气时而变密，时而变稀。空气变 密，压强就增高；空气变稀，压强就降低。这样，由于声波的 存在，使大气压产生迅速的起伏。这个起伏部分称为声压，声 压越大，声音越强，声压越小，声音越弱，人们就用声压作为 衡量声音大小的尺子。
线声源---平面波
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声波的衰减
在大多数情况下在大多数实际情况下，可以近似地认为声波 在声源附近具有球面波形状。球面波的强度与离开声源距离的 平方成反比而降低，即当离声源的距离增为2、3、4、5倍时， 声音的强度将相应地减为 、 、1 、1 。1 1
这是因为声源每秒钟发出的能4 量是9 一16 个2恒5 量，离开声源的距 离越大，能量的分布面也越大，因此，通过单位面积的能量就 越小。这也就是离声源距离越近，声音越强，离声源的距离越 远，声音越弱的原因。这叫做声波的距离衰减。
敲一下音叉，它就会一来一回的摆动。这个有规则的摆动就 叫振动。音叉往返一次算作一次振动，每秒振动的次数叫频率， 用 来表示，单位是赫。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定 点的声波有f 1000个周期。
但不是所有的振动人耳都听得见，只有频率为20～20000 赫的振动人耳才能产生声音的感觉。低于20赫的声波叫次声， 高于20000赫的声音叫超声。
正常人耳刚刚听到的得声音的声压称为可听阈声压，而当声 压使人耳产生疼痛感觉称为痛阈声压。
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声压级
但是从听阈到痛阈，声压的绝对值相差一百万倍。用声压的 绝对值来表示声音的强弱是很不方便的。
为了方便起见，人们便引出一个成倍比关系的对数量——级， 来表示声音的大小，这就是声压级。这正如风级按级分、地震 按级算一样。
当有风时，亦将发生声音的折射现象。一般地说，因为地面 上有障碍物，地面的风速总要比上层空间的小。因此，在顺风 时，声音在上层传播得快，向下折射，而在逆风时，声音在地 面传播得快，相声折射。这就是顺风说话，老远的就可听见， 而逆风说话，人们很不容易听见的道理。
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回音壁——完美的折射
回音壁，是天坛中存放皇帝祭祀神牌的皇穹宇外围墙。墙高 3.72米，厚0.9米，直径61.5米，周长193.2米。整个围墙都 很光滑。只要有人对着这个墙壁说话（如图中A处），由于声 波沿着它的内壁多次反射，站在内墙下任何位置的人都可以 清楚地听到他的声音，并且觉pt
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我们把能够发出声音的物体叫做声源，但声源不一定非
是固体不成，气体和液体也一样会因振动而发声。比如说笛
子就是靠空气柱的振动发声，汽笛就是靠蒸汽通过汽笛时振动 发声的，海水的波浪声，就是液体振动的结果。
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声音的传播
然而，仅仅依靠振动我们也无法听到悦耳的声音，声音的 传播需要物质，物理学中把这种物质叫做声的介质。但声音是 无法在真空中传播的。
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这就是某两段噪声 的频谱分析。
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声音的特性——乐音
乐音的三要素：音调、响度和音色。
含义
音调
声音的高低
响度 音色
声音的大小 声音的特色
决定因素
相关问题
发声体的振 动频率
频率(f)：物体每秒钟振动的次数。 单位：Hz 人的发声频率范围： 85Hz~1100Hz 人的听觉频率范围： 20Hz~20000Hz 次声波与超声波
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在距离声源很远的地方，以及在通道和管子中声波一般成 平面波的形状传播。
另外，声波在远距离中传播时，总有一部分能量被空气吸 收，由于空气吸收而引起的声衰减与声波的频率、空气的温度、 温度有关。高频声波比低频声波衰减的快，因此，我们听到原 来的飞机声音主要是低频成分。但随着飞机据我们的距离越来 越近，高频成分也就逐渐增加了。
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我们与声音
了解了声音本身的一些性质，我们现在再来看看人耳是 如何感知声音的。
首先我们来看看人耳的构造：人的耳朵是由外耳、中耳 和内耳三部分组成的。
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人可以通过两种途径听到声音： 第一种途径：
外界声音——鼓膜——听小骨及其它组织——听觉神经— —大脑
第二种途径（骨传导）： 声音——头骨、颌骨——听觉神经——大脑 正常人通过这两种途径都能听到声音；耳聋的人则是通过 第二种途径听到声音。
我们来看一个实验：如果把一个钟放在一个带抽气机的大玻 璃瓶里，当瓶里空气没有抽出时，钟的滴答声听得很清楚；当 空气逐渐被抽出时，滴答声就逐渐减小了；当空气抽到真空时， 钟声也就听不见了。
空气抽到真空
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频率
总之，振动的物体是声音的声源，振动在弹性介质（气体、 固体和液体）中，以波的方式进行传播，这个弹性波就叫做声 波，一定频率范围的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。
天坛的这些建筑物中充分体现了 声音反射的原理，是我国古代劳动人 民对建筑声学的一大贡献。
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声波的传播特性——绕射
声波在传播过程中，遇到障碍物或孔洞时，当波长比障碍 物或孔洞大得多时，会发生绕射现象。
低频声波波长达十来米，所以很容易绕射过去。如果墙上 有孔洞，很容易发生低频的“漏声”。
在建筑规划和设计时，应当注意到声波的反射、折射、绕 射现象，以达到理想的声学效果。
此外，声波在传播时，还可以相互叠加，这叫做声波的
干涉，大家也应该有所注意。
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声波的辐射
下面我们来关注一下声波辐射的具体细节。当声源的尺 寸与波长比起来很小的时候，声波成球面波的形状从声源较均 匀地向各个方向辐射，没有方向性，这种声源叫做点声源。当 声源的尺寸比波长大时，辐射出的声波以略微发散的声束传播 着。
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从物理学观点讲，噪声就是各种不同频率和声强的声音的无 规律的杂乱组合，如汽车的轰隆声等等，它的波形图是没有规 则的非周期性的曲线；乐音是有规律的振动产生的，它的波形 图是周期性的曲线。钢琴、琵琶等弦乐器，笛、黑管等管乐器 发出的就是乐音。
从生理学观点讲，凡是使人烦躁的、讨厌的、不需要的声音 都叫噪声。f 从这个意义上来说，噪声和乐音就很难区分了。如： 一个人演奏钢琴，理应属于乐音，但对于正在睡觉或思考问题 的邻居来说，就成了讨厌的噪声。
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声音的其他表征
声波作为一种波动形式，当然是具有一定的能量，人们也 常常用能量的大小来表征声辐射的强弱，这就引出了声强和声 功率两个物理量。
声强是在声传播的方向上，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。 与声压一样，声强和声功率也用级来表示，这就是声强级 和声功率级，其单位也是分贝。
声学知识科普
-----声音世界的探索
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声音的产生
我们周围是充满声音的世界。不论是有生命或者无生命 的各个角落里，到处都充满着声音。正是由于声音的存在，人 们才能互相交谈，表达感情，我们才能听广播，欣赏音乐。
可见，声音同人们的生活是这样的紧密相关，那么声音 究竟是怎样发生的呢？
我们稍微留意地观察以下所听到的声音，就会发现，它 们的根源都来自于物体的振动。声音是一种连续的波。
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声音的频谱
声音，有的低沉，有的尖锐。这是因为声音具有着不同的频 率。频率低，音调低，声音低沉；频率高，音调高，声音尖锐。
作为可闻声音，频率从20～20000赫，有1000倍的变化范 围。为了方便起见，人们把一个宽广的声频范围划为几个小的 频段，这就是通常所说的频带或频程。
我们以频率（频带）为横坐标，以声压级（声强级、声功率 级）为纵坐标，作出噪声测量图形，就可以清楚地了解该噪声 的成分和性质，这就叫做频谱分析。
超低频率次声波比其他声波（10Hz以上的声波）更具对人 的破坏力，一部分可引起人体血管破裂导致死亡，但是这类声 波的产生条件极为苛刻，能让人遇上的几率很低。
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人的发声频率在100Hz（男低音）到10000Hz（女高音）范 围内。
蝙蝠就能够听见频率高达120000赫的超声波，它发出的声 波频率也可达到120000赫。蝙蝠发出的声音，频率通常在 45000赫到90000赫范围内。狗能够听见高达50000赫的超声 波，猫能够听见高达60000赫以上的超声波，但是狗和猫发出 的声音，都在几十到几千赫的范围内。
反射声的存在，会使原来的声音加强。由于反射声的存在， 当声源停止发声后，短时间还能听到声音，这叫做混响声。在 噪声控制中，用吸声材料和吸声结构在房屋内表面做饰面就是 为了减弱这个因反射而产生的混响声。从而使整个房间的噪声 降低。
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声波的传播特性——折射
声波在传播过程中，遇到不同特性阻抗（特性阻抗是介质 的密度和该介质中的声速的乘积，单位是瑞利）的界面时，如 从空气入射到钢板上，除了反射外，还将发生折射现象。当介 质存在温度差时，特性阻抗也会发生相应的变化，声波亦将发 生折射现象。
f
在常温下，在空气中，当f=20赫时，=17.2米，当f=2000 赫时，=1.72厘米。因此，在常温下，空气中人耳可听声波的 波长在1.72厘米～17.2米之间。由此可看出，声音的频率高， 波长就短；频率低，波长就长。
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声波的传播特性——反射
当声波遇到障碍物时，就像皮球碰在墙上一样，会发生反 射。在一个封闭的房子里，声波向四面八方传播，碰到墙、顶 棚、地面、家具等就会发生反射现象。
速也随着发生变化，在0℃时，声速c=331.5米/秒，每增加
1℃，声速增加0.607米/秒。在不同的介质中，声速也是不同
的。
物质
传播速率（米／秒）
倍率
空气
344
1
水
1463
5
木材
3352
10
铁
5032
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（注）传播速率：固体＞液体＞气体
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声波
声波波长 ，声速c，频率 是声f 波的三个基本量，它们之间的 关系为 。 c
波长与声源的尺寸相较越小，声束的发散角越小，其方 向性越强。当声波波长与声源尺寸相比非常小时，声波几乎以 不发散的声束成平面波的形状从声源向外界传播。我们知道， 低频声波波长长、高频声波波长短。因此，在某一声源的背面，
与正面相比，听起来低音相差不大，而高音差得很远。
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点声源---球面波
声压级的单位是分贝。分贝又是什么呢？它是一个相对单位， 没有量纲，它来源于电讯工程，在电讯工程中，常用两个功率 比的常用对数来表示放大器的增益，这样得出的单位叫贝尔。 分贝是贝尔的十分之一，因此分贝就是十乘以两个功率比值的 常用对数的单位。
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从这里我们可以直观的看出 在我们生活中出现的声音所对应 的分贝值。
需要提醒一下，在空气中传播的声波只是波动形式，空气
本身并不传走，它只是在原地振动。这如同水波一样，在水
上的漂浮物只是来回振动，并不传走，传走的只是水波的波动 形式。
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声速
声波在一定介质中传播的速度叫声速，用c来表示，单位
是米/秒。在常温（20℃）和标准大气压下，空气中的声速是
344米/秒。但声速不是固定不变的，当温度发生变化时，声
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虽然正常人能够听见20Hz到20000Hz的声音，但老年人的 高频声音减少到10000Hz（或可以低到6000Hz）左右。
超声波（高于20000Hz）和正常声波（20Hz - 20000Hz） 遇到障碍物后会向原传播方向的反方向传播，而部分次声波 （低于20Hz）可以穿透障碍物，俄罗斯在北冰洋进行的核试 验产生的次声波曾经环绕地球6圈。
发声体振动 的振幅
振幅：物体振动的幅度
发声体本身 的材料、结 构
音色是辨别不同发声体的依据
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关于噪声——定义
人们的日常生活是离不开声音的。但当人们睡觉或者需要安 静时，声音就成为不需要的了；当声音达到一定的强度时，对 人们的身体健康还有危害。这种声音就是噪声。
那么，噪声的定义是什么？它与乐音又有什么区别呢？
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乐音的波形图
噪声的波形图
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噪声的分类
那么，如何更深入地认识噪声呢？这里先让我们对噪声的分 类进行一些了解。
噪声可以从很多方面来分类，例如为区分由于自然现象和人 为产生的噪声，可以分为自然噪声和人为噪声；又如，按频率 分布，把噪声分为低频（<500Hz）、中频（500Hz～ 1000Hz）和高频（>1000Hz）噪声。