3.1,3.2 基本概念 声学量 波动方程 速度势函数(3学时)
高中物理解析波动现象与声音传播
高中物理解析波动现象与声音传播波动现象是物理学中一个重要的研究领域，而声音传播作为一种波动现象，在我们日常生活中也扮演着重要的角色。
本文将对波动现象和声音传播进行解析，以期加深对物理学的理解。
一、波动现象的基本概念波动是指能量的传递方式，它通过介质中的振动将能量传递给周围的粒子。
波动的基本特征包括频率、振幅、波长和波速。
1. 频率：波动中每秒钟内通过某一点的波峰或波谷的个数称为频率，单位为赫兹（Hz）。
2. 振幅：波动中从平衡位置到波峰或波谷的最大位移称为振幅，它反映了波动的强弱程度。
3. 波长：波动中相邻两个波峰或波谷之间的距离称为波长，通常用λ 表示，单位为米（m）。
4. 波速：波动中波峰传播的速度称为波速，通常用 v 表示，单位为米每秒（m/s）。
二、机械波与电磁波的区别波动现象根据能量传递的方式可以分为机械波和电磁波。
1. 机械波：机械波需要介质来传播，如水波和声波。
声波就是一种机械波，它是由物体振动引起的。
2. 电磁波：电磁波不需要介质来传播，如光波和无线电波。
光波是一种电磁波，它可以在真空中传播。
三、声音传播的基本原理声音是由物体的振动引起的机械波，它需要介质来传播，一般是通过空气传播。
声音传播的基本原理可以用以下几个重要概念来解释。
1. 声源：声音的产生源头称为声源，如乐器、人的声带。
2. 声波的产生：当声源振动时，空气中的分子也随之振动，形成机械波，即声波。
3. 频率与音调：声波的频率决定了我们听到的音调高低。
频率越高，音调越高，反之亦然。
4. 声速：声音在介质中传播的速度称为声速，它与介质的性质有关。
在空气中，声速约为 343 米每秒。
五、声音的特性声音除了能够传播外，还具有一些特性。
1. 吸收与反射：当声波遇到障碍物时，一部分能量被障碍物吸收，一部分则被反射回来。
声音的反射产生了回声现象。
2. 声强与音量：声音的强度被称为声强，决定了我们听到的音量大小。
声强越大，音量越大。
3. 声音的传播距离：声音的传播距离与声强及环境因素有关。
初中物理波动与声光知识点汇总
初中物理波动与声光知识点汇总一、波动知识点汇总1.波的定义和特点：波是一种能量在空间中传播的方式，具有传播距离、传播速度、频率和振幅等特点。
2.机械波和电磁波：机械波需要介质来传播，如水波和声波；而电磁波可以在真空中传播，如光波和无线电波。
3.横波和纵波：横波的波动方向垂直于波的传播方向，如水波；而纵波的波动方向与波的传播方向一致，如声波。
4.波动的基本表达式：波的传播可以通过正弦函数或余弦函数的数学表达式来描述，如y = A sin(ωt ± φ)。
5.波阵面和波程：波前是波的传播方向上相位相同的点的集合，波程是波前的长度。
6.波的传播速度：波的传播速度可以通过波程除以传播时间来计算，即v = λ/T，其中v是波速，λ是波长，T是周期。
7.反射和折射：波在遇到障碍物时会发生反射，即改变传播方向；而波传播介质发生改变时会发生折射，即改变传播速度和传播方向。
8.干涉和衍射：当两个或多个波同时传播到同一地方时，波的干涉会导致波的增强或衰减，波的衍射会使波沿着障碍物边缘弯曲传播。
二、声波知识点汇总1.声波的产生和传播：声波是由物体的振动引起的，通过介质的压缩和膨胀传播。
2.声音的强度和频率：声音的强度与波的振幅有关，频率与波的快慢有关，分别决定声音的大小和音调。
3.声音的传播速度：声音在不同介质中的传播速度不同，常见的是空气中声速为343米/秒。
4.声音的反射和回声：声音在遇到障碍物时会发生反射，形成回声，回声的延迟时间取决于距离和传播速度。
5.共振和声音放大：当物体的振动频率和空气柱的固有频率相同，发生共振现象，声音可被放大。
6.噪声和隔音：噪声是杂乱无章的声音，对人体健康有害，隔音措施可以减少声音传播。
三、光波知识点汇总1.光的产生和传播：光是由物体的辐射或发射产生的，通过空间的传播。
2.光的传播速度：光在真空中的传播速度是最快的，大约为光速的299,792,458米/秒。
3.光的反射和折射：当光线遇到物体时，会发生反射和折射，反射使光保持原来的传播方向，折射使光改变方向。
大学物理波动与声学知识点汇总
大学物理波动与声学知识点汇总在大学物理的学习中，波动与声学是十分重要的部分。
它们不仅在物理学中有着基础且关键的地位，也在众多实际应用领域发挥着重要作用。
下面让我们一起来梳理一下这部分的重要知识点。
一、波动的基本概念波动是一种常见的物理现象，它是振动在介质中的传播过程。
（一）机械波的产生条件机械波的产生需要两个条件：一是要有做机械振动的物体，即波源；二是要有能够传播这种机械振动的介质。
（二）横波与纵波根据质点振动方向和波的传播方向的关系，波可以分为横波和纵波。
横波中质点的振动方向与波的传播方向垂直，例如电磁波。
纵波中质点的振动方向与波的传播方向平行，像声波就是典型的纵波。
（三）波长、波速和频率波长是指相邻两个同相点之间的距离。
波速是指波在介质中传播的速度，它由介质的性质决定。
频率则是波源振动的频率，等于单位时间内波源完成全振动的次数。
三者之间的关系为：波速＝波长×频率。
二、波动方程波动方程描述了波在空间和时间上的变化规律。
（一）简谐波的波动方程对于简谐波，其波动方程可以表示为：y ＝ A sin(ωt kx ＋φ) 或 y ＝A cos(ωt kx ＋φ) ，其中 A 为振幅，ω 为角频率，k 为波数，φ 为初相位。
（二）波动方程的物理意义波动方程反映了在不同时刻、不同位置处质点的位移情况。
通过波动方程，可以了解波的传播特性和质点的振动规律。
三、波的能量波在传播过程中伴随着能量的传递。
（一）能量密度能量密度是指单位体积内波所具有的能量。
（二）平均能量密度在一个周期内能量密度的平均值称为平均能量密度。
（三）能流和能流密度能流是指单位时间内通过垂直于波传播方向的某一面积的能量。
能流密度则是指通过垂直于波传播方向单位面积的能流，也称为波的强度。
四、波的干涉当两列波相遇时，会产生干涉现象。
（一）干涉的条件两列波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定，才能产生稳定的干涉现象。
（二）干涉加强和减弱两列波在相遇点的相位差为2kπ（k 为整数）时，干涉加强；相位差为(2k ＋1)π 时，干涉减弱。
3.1,3.2 基本概念 声学量 波动方程 速度势函数(3学时)
第三章 理想流体介质中小振幅波的基本规律
3.1 基本声学量和理想流体中的基本方程
主要内容
3.1.1 基本声学量 3.1.2 理想流体中三个基本方程
声音的产生
声音的产生
声音的产生
什么是声音？
苏东坡在赤壁赋中说: “耳得之而为声”
声音的产生
声音是由声源的机械振动产生的，声源的振 动状态，通过周围介质向四周传播形成声波。 从物理学来说，声波就是介质中的机械波。
声音的产生
声音的产生
声波在介质中传播的速度，称为声波的 传播速度。
重点总结！
1、声音的实质－声音是介质中的机械波 2、声波产生的两个基本条件 （1）声源 （2）传声介质
3.1.1 基本声学量
主要内容
1、声压－压强的变化量 2、质点振速－介质运动速度的变化量 3、压缩量－介质密度相对变化量
为介质压缩量,也称介质密度的相对变化量s（无量纲）
注意：
声场中的质点振速和声波的传播速度
是两个概念。
重点总结！
声学量——描述声波作用的量。
1、声压－压强的变化量
2、质点振速－介质流速的变化量 3、密度逾量－介质密度的变化量
波动方程的推导
声波的波动方程：描述声场空间、时间变化 规律和相互 x, y, z, t 0 x, y, z
为介质中声场的密度逾量。 MKS制中，基本单位：kg/m3
x, y, z, t 0 x, y, z 定义： sx, y, z, t 0 x, y, z
纵波：声波的传播方向与质点振动方向一致。 横波：声波的传播方向与质点振动方向垂直。
声音的产生
纵波传播过程
声音的产生
纵波传播过程
声学中波动方程的建立
田佳星海洋技术１2０200４１049今天我介绍一下声学中波动方程得建立。
我们首先介绍一下声学得基本概念。
声波就是机械振动状态在介质中得传播。
存在声波得空间称为声场。
理论上描述声场需要引入一些物理量:声压、位移、振速、密度压缩量与相位等。
通常采用上述各物理量得时空分布函数描述声场。
下面对这些物理量作简要介绍。
1、基本概念１) 声压(标量)声波为压缩波。
描述“压缩”过程得一个物理量就是压强。
然而,声波就是声扰动(如振动源)引起介质中得压强发生变化得部分。
因此,我们引入声压得概念:声压为介质压强得变化量:(2-1)其中,就是压强,就是介质中得静态压强。
声压就是描述波动得物理量。
为使用方便,还由声压引入了瞬时声压、峰值声压与有效声压。
声场中某瞬时得声压称为瞬时声压。
一定时间间隔内得最大瞬时声压称为峰值声压。
瞬时声压在一定时间间隔内得均方根值称为有效声压,即(2-2) 对简谐声波,、与相互之间得关系与电压可作相同类比,即。
一般仪器仪表测得就是有效声压。
2) 位移与振速(矢量)质点位移就是指介质质点离开其平衡位置得距离、质点振速就是介质质点瞬时振动得速度。
两者均就是有大小与方向得量,即矢量,相互关系为(２—3)对简谐振动,位移与振速都满足如下关系:, (2—４a), (2-4b)其中,与分别为位移幅值与振速幅值。
需要注意得就是区分质点振速与声传播速度。
声传播速度就是指振动状态在介质中传播得速度,而质点振速就是指在给定时间与给定空间位置得某一质点得振动速度。
３) 密度与压缩量密度得变化也就是描述声波得一个物理量。
这里引入压缩量得概念:(２-5)其中,密度,为静态密度,为密度改变量。
压缩量s得含义为介质密度得相对变化量、４) 相位为描写简谐振动而引入得物理量。
它描述质点简谐振动得状态。
质点振动得一个周期对应着相位0—2π、相位与质点振动状态有一一对应得关系。
声波就是振动状态在介质中得传播,而相位描述得就是质点简谐振动得状态、由此可见相位在声场描述中得重要性。
基本概念声学量波动方程速度势函数学时
同理, d时t 间内沿
中的dx净dy余dz量分别为
方oy向,o流z量在
yUydxdydtz
zUzdxdydtz
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
所以，在dt时间段，介质质点流速 U (x,y,z,引t)起 的在dxdydz框中介质质量的增加为：
m xU x yU y zU z dxd dy t d
3、运动方程
理想流体中三个基本方程
(0l) u t p 忽略高阶小量： l
u t
！！！得到均匀、静止理想流体中小振幅波的运动方程为：
0
u p t
运动方程
记住！
又称尤拉方程：表示介质中质点的加速度与密度的 乘积等于沿加速度方向的压力梯度的负值。
3.2 理想流体中小振幅波波动方程 和速度势函数
3.2.1 流体中小振幅波波动方程 3.2.2 速度势函数
声音的产生
声波（sound wave ）是一种机械波； 产生声波的两个必要条件：
声源（ sound source）－机械振动的物体 介质（medium ）－机械振动赖以传播的介
质
声音的产生
声音的产生
声波传播时，介质质点只在平衡位置附近 振动，并没有随声波传播。
声音的产生
声音可以在一切弹性介质中传播。 纵波：声波的传播方向与质点振动方向一致。 横波：声波的传播方向与质点振动方向垂直。
定义, c0 (p为)介0,s质0 的等熵波速。
它是介质的固有性质。 （后续课可知它与介质中波传播的速度有关）
f
(()0,s0 0)
是速度量纲; M.K.S制中,单位: m/s (米/秒)
！！得到的均匀、静止理想流体中小振幅波的状态方程为：
2024年大学物理波动课件
大学物理波动课件引言波动是物理学中的一个重要概念，涉及到的领域广泛，包括声波、电磁波、机械波等。
本文旨在介绍大学物理中波动的基本概念、波动方程、波动特性以及波动在各个领域的应用，以帮助读者更好地理解和掌握波动知识。
一、波动的基本概念1.1波的定义波是一种能量传递的方式，它是由振源产生的振动在介质中传播的过程。
波可以分为两大类：机械波和电磁波。
机械波需要介质来传播，如声波和水波；而电磁波不需要介质，可以在真空中传播，如光波和无线电波。
1.2波的参数波的参数包括波长、波速、频率和振幅。
波长是相邻两个波峰（或波谷）之间的距离，通常用λ表示；波速是波在介质中传播的速度，通常用v表示；频率是单位时间内通过某一点的完整波的个数，通常用f表示；振幅是波的振动幅度，即波的最大偏离度。
二、波动方程2.1机械波方程机械波的波动方程可以表示为：y=Asin(2πft2πx/λ+φ)其中，y表示介质中某一点的位移，A表示振幅，f表示频率，λ表示波长，x表示该点距离振源的距离，φ表示初相位。
2.2电磁波方程电磁波的波动方程可以表示为：E=E0sin(2πft2πx/λ+φ)其中，E表示电场强度，E0表示振幅，其他参数与机械波方程相同。
三、波动特性3.1干涉干涉是指两个或多个波相遇时，它们的振动叠加产生的现象。
当两个波峰相遇时，振动加强；当波峰与波谷相遇时，振动减弱。
干涉现象广泛应用于光学、声学等领域。
3.2衍射衍射是指波传播过程中遇到障碍物或通过狭缝时，波的传播方向发生改变的现象。
衍射现象广泛应用于光学、声学等领域，如光栅、声呐等。
3.3折射折射是指波从一种介质传播到另一种介质时，波的传播方向发生改变的现象。
折射现象广泛应用于光学领域，如透镜、棱镜等。
3.4反射反射是指波遇到界面时，部分能量返回原介质的现象。
反射现象广泛应用于光学、声学等领域，如镜子、回声等。
四、波动应用4.1声学领域波动在声学领域有着广泛的应用，如声音的产生、传播、接收和利用。
速度势函数
速度势函数
速度势函数是力学分析中必不可少的一部分，它是力学研究的基础。
它用来描述力学系统中物体运动的速度及能量分布。
速度势函数可用来计算物体运动的加速度、力、位移、能量等，为解决力学问题提供重要的参考依据。
速度势函数的概念可以追溯到德国物理学家和维纳特人费里德
尔施密特（Friedrich Schmiedel）于1781年提出的。
他把速度势函数看作是给定位置的函数，称为“位置函数”。
他的思想影响了后来
的物理学家，如爱因斯坦和弗里德曼，并被应用到现代物理学中。
在经典力学中，速度势函数是通过给定物体所受位置和力来描述物体运动的函数。
物体运动的方程就是速度势函数求导出的位置函数，可简洁表示物体在某一时刻的运动状态。
这个方程是物理学的基本方程，为物理学的研究提供了条件和解决方案。
在量子力学中，速度势函数也起着重要作用。
速度势函数可以表示量子系统中物理量的空间分布，反映物质在原子尺度上的能量分布，从而帮助我们解释物质的性质和结构。
它可以用来计算量子多体系统中参与粒子、势能和动能的总能量，并可以应用于研究原子和分子中的相互作用。
此外，速度势函数也可以用来研究复杂的流体系统，尤其是高温高压流体的流动特性，这对控制火箭发动机的行为和射流传播有重要意义。
因此，速度势函数可以简单表示物理系统中物体运动的速度和能
量分布，为研究物理系统提供重要参考。
在物理学中，速度势函数的应用很广泛，可以用来计算经典力学和量子力学系统中物体的运动和能量分布，以及控制复杂的流体系统。
它是物理学的基础，也是研究物理系统的重要工具。
物理考后知识点总结高三波
物理考后知识点总结高三波物理考后知识点总结高三波波是一种能量在空间中传播的方式。
在物理学中，波被广泛应用于研究光、声音、电磁波等现象。
在高三物理考试中，波是一个重要的考点。
下面是对高三物理考试后波这一部分的知识点进行总结。
1. 波的基本概念波是指能量以及其它物理量随时间和空间的变化而传播的现象。
波分为机械波和电磁波两种类型。
机械波是需要介质传播的，包括声波和水波等；电磁波则是在真空中传播的，如光波和无线电波等。
2. 波动方程波动方程是描述波的传播过程的方程。
对于一维情况下的波动，波动方程可以表示为：∂²u/∂t² = v² ∂²u/∂x²其中，u表示波的位移，t表示时间，x表示位置，v表示波的传播速度。
3. 波的特性波有多种特性，包括振幅、周期、频率、波速、波长等。
- 振幅是波的最大偏离量，表示波的强度；- 周期是波一次完整振动所需要的时间；- 频率是波的振动次数，通常表示为Hz（赫兹）；- 波速是波传播的速度，通常表示为v；- 波长是波的一个完整周期所对应的空间距离。
4. 波的分类波的分类包括横波和纵波两种类型。
- 横波是波动方向与波传播方向垂直的波，如光波；- 纵波是波动方向与波传播方向平行的波，如声波。
5. 波的干涉与衍射波在传播过程中会遇到障碍物或多个波相遇，产生干涉和衍射现象。
- 干涉是指两个或多个波同时存在于同一空间，相互作用产生新的波的现象；- 衍射是指波通过一个障碍物或通过小孔时发生偏折的现象。
6. 波的反射与折射波在介质之间传播时会发生反射和折射现象。
- 反射是波遇到界面时发生的返回现象，根据入射角等于反射角的定律可推导出反射波的方向；- 折射是波由一种介质传播到另一种介质时发生的偏折现象，根据斯涅尔定律可描述光的折射现象。
7. 声音波的特性声音是由物体振动引起的机械波。
声音波具有频率、波长、速度等特性。
- 频率决定了声音的音调，通常以赫兹（Hz）表示；- 波长决定了声音的音色，通常以米（m）表示；- 声速在不同介质中有所不同，一般以米每秒（m/s）表示。
声学速度知识点总结
声学速度知识点总结一、声学速度的定义声学速度是指在介质中传播声波的速度。
声波是通过介质中分子的振动传播的机械波，它的传播速度与介质的物理性质有关。
在不同的介质中，声波的传播速度也不同。
在固体中传播的声波速度较大，液体次之，气体最小。
声学速度通常用符号v表示。
在固体介质中，声波的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。
当声波沿着固体中的某个方向传播时，可以用声学振动速度v_s来表示。
v_s与固体的弹性模量E和密度ρ有关，其具体关系式为：v_s = √(E/ρ)在液体介质中传播的声波速度也与液体的弹性模量和密度有关。
以水为例，水中声波的传播速度约为1500m/s。
在气体介质中，声波的传播速度与气体的压力和密度有关。
在标准大气压下，空气中声波的传播速度约为340m/s。
二、影响声学速度的因素1.介质的物理性质介质的密度、弹性模量、泊松比等物理性质是影响声学速度的重要因素。
密度较大的介质，声波的传播速度会较慢；而弹性模量较大的介质，声波的传播速度会较快。
此外，泊松比也会影响声学速度，但影响较小。
2.温度和压力温度和压力也会影响声学速度。
在一定范围内，温度越高，声波的传播速度越快；压力越大，声波的传播速度也越快。
3.介质的微观结构介质的微观结构对声学速度也有一定影响。
例如，在固体中，晶体结构的不同会影响声波的传播速度；在孔隙介质中，孔隙度和孔径的大小也会影响声波的传播速度。
三、声学速度的计算方法在实际工程中，可以通过实验测定介质的物理性质，然后利用声学速度的计算公式来计算声学速度。
声学速度的计算公式有多种，根据介质的性质和形态不同可能有所区别。
以下是一些常见的计算方法：1. 固体介质中声学速度的计算对于固体介质来说，声学速度的计算公式为：v_s = √(E/ρ)其中，E为介质的弹性模量，单位为帕斯卡；ρ为介质的密度，单位为千克/立方米。
2. 液体介质中声学速度的计算对于液体介质来说，声学速度的计算公式为：v = √(K/ρ)其中，K为介质的体积弹性模量，单位为帕斯卡；ρ为介质的密度，单位为千克/立方米。
高中物理学习中的波动与波速计算
高中物理学习中的波动与波速计算波动是物理学中一个重要的概念，涉及到许多实际应用和计算。
熟练掌握波动和波速的计算方法对高中学生来说至关重要。
本文将就波动和波速计算的相关内容进行探讨。
一、波动的概念波动是指能量或信息从一个地方传到另一个地方的一种传播方式。
波动可以分为机械波动和电磁波动两大类。
机械波动是指必须依靠介质传播的波动，如水波、声波等；而电磁波动是指无需介质传播的波动，如光波、电磁波等。
无论是机械波动还是电磁波动，都具有相同的特性，即振幅、波长、频率和速度。
二、波长、频率与速度的关系波长是指相邻两个相同相位的点之间的距离，用符号λ表示。
频率是指单位时间内波动通过某一点的次数，用符号f表示。
速度是指波动在介质中传播的速度，用符号v表示。
波长、频率和速度之间的关系可以由下述公式表示：v = λ × f其中，v表示速度，λ表示波长，f表示频率。
三、波速计算问题1. 已知波长和频率，求波速若已知波长λ和频率f，可以通过公式v = λ × f计算出波速v。
例如，某机械波动的波长为2m，频率为50Hz，则波速v = 2m × 50Hz =100m/s。
2. 已知波长和波速，求频率若已知波长λ和波速v，可以通过公式f = v ÷ λ计算出频率f。
例如，某机械波动的波长为2m，波速为100m/s，则频率f = 100m/s ÷ 2m =50Hz。
3. 已知频率和波速，求波长若已知频率f和波速v，可以通过公式λ = v ÷ f计算出波长λ。
例如，某机械波动的频率为50Hz，波速为100m/s，则波长λ = 100m/s ÷ 50Hz = 2m。
四、波速计算的应用波速的计算对于许多实际应用非常重要。
以下是一些例子：1. 声音在空气中的传播速度声音是一种机械波动，它在空气中的传播速度约为343m/s。
若已知空气中的声音波长或频率，可以通过波速公式计算出其他未知量。
波动的知识点总结归纳
波动的知识点总结归纳一、波的基本概念1.1 物理量波是一种能够传递能量和动量的运动形式。
波动的传播是通过振动传递的，而振动本身是物体在空间中周期性的来回运动。
在波动中，有几个重要的物理量需要掌握，包括振幅、波长、频率和速度。
振幅是波动中能量传递的强度，波长是波动中一个完整周期的长度，频率是波动中单位时间内的周期数，速度是波的传播速度。
1.2 波动方程波的传播方式是通过波动方程来描述的。
波动方程可以根据传播介质的性质而有所不同，比如机械波的传播可以用弹性介质的弹性模型来描述，电磁波的传播可以用麦克斯韦方程组来描述。
波动方程的形式决定了波的传播特性，比如波速和波长等。
1.3 波的分类根据波的传播方向、振动形式和传播介质的不同，波可以分为横波和纵波、机械波和电磁波、平面波和球面波等不同的类型。
每种类型的波都有其独特的性质和传播规律。
二、波的传播2.1 机械波的传播机械波是需要介质来传播的波动，比如水波和声波。
在介质中，波动通过微观粒子的振动来传递能量，而波的传播速度与介质的性质有关。
机械波的传播遵循牛顿运动定律和弹性理论，可以用波动方程和位移-时间图像来描述。
2.2 电磁波的传播电磁波是由电场和磁场交替振荡而产生的波动，可以在真空中传播。
电磁波的传播速度是光速，与介质的性质无关。
电磁波的传播遵循麦克斯韦方程组和麦克斯韦-安培定律，可以用电场和磁场的分布来描述。
2.3 波的干涉和衍射波动的干涉和衍射是波动理论中的两个重要现象，可以用来解释波的传播和物体的性质。
波动的干涉是指两个或多个波在空间中叠加产生干涉图样，干涉图样的性质与波的相位和振幅有关。
波动的衍射是指波在遇到障碍物后发生弯曲，形成新的波阵面，在衍射现象中可以看到波的波长和波的传播方向等。
三、波的量子性3.1 波粒二象性量子力学中的波粒二象性是指微观粒子表现出波动和粒子性质的双重特性。
根据波粒二象性，微观粒子可以用波函数来描述，波函数的平方代表了粒子存在的概率密度，波函数的相位代表了粒子的相位。
初中物理声学公式大全(声学)
初中物理声学公式大全(声学)
本文档旨在提供初中物理声学方面的公式大全，供学生们参考和研究。
以下是一些常见的声学公式：
1. 声波速度公式
声波的速度（v）是由介质的密度（ρ）和弹性模量（E）决定的。
速度公式：v = √(E/ρ)
2. 声压级公式
声压级（Lp）是描述声音强度的单位，单位为分贝（dB），它与声音的压强（p）有关。
声压级公式：Lp = 20log(p/p₀)
其中，p₀是参考压强，通常为20微帕（μPa）。
3. 波长公式
波长（λ）是声波在介质中传播的距离，它与频率（f）和声速（v）有关。
波长公式：λ = v/f
4. 驻波节点位置公式
驻波是指来回传播的波与同一方向传来的波叠加形成的波动现象。
节点是波的振幅为零的位置，其位置与波长（λ）和波的振动数（n）有关。
驻波节点位置公式：x = (2n-1)λ/4
其中，x表示节点位置。
5. 多普勒效应公式
多普勒效应描述了当源波动物体靠近或远离观察者时，观察到
的声音频率发生变化的现象。
它与源波动物体的速度（v₁）、观
察者的速度（v₂）、源波动物体的频率（f₀）和声速度（v）有关。
多普勒效应公式：f = f₀(v+v₂)/(v-v₁)
其中，f表示观察到的频率。
以上是一些常见的初中物理声学公式，希望对学生们的学习有
所帮助。
请学生们根据具体情况灵活运用这些公式，并注意理解公
式背后的物理原理。
声学基本概念
或 其中
2 p p 2 2 c0 t
2
2 2 2 2 2 2 2 x y z
2.2.3 波动方程的解 可以证明：一维波动方程的解是：
p f ( x c0t )
x p f (t ) c0
或
其中，“+”号代表沿-x方向传播的平面波，“-”号通过垂直于声传播方向的单位面积上的声能量， 单位为W/m2 W I c0 S
2.5 声级 分贝
2.5.1 背景 声振动的能量范围极其广阔。人们通常讲话的 声功率约只有10-5W，强力火箭的噪声声功率可 高达109W，两者相差十几个数量级。 人耳对声音主观上产生的“响度感觉”并不是 正比于强度的绝对值，而是更近于与强度的对数 成正比。 基于这两方面的原因，在声学中普遍使用 对数标度来度量声压和声强，称为声压级和声 强级。其单位常用dB(分贝)表示。
2.2.1 一维声波的波动方程（续）
波动方程：
2 p 1 2 p 2 2 2 x c0 t
c0 为小信号下的声速
空气中声速：331m/S (0°C)， 声速随温度的变化 331.6+0.6tC； 水中声速：1480m/S (20°C)
2.2.2 三维声波的波动方程
2 p 2 p 2 p 1 2 p 2 2 2 2 2 x y z c0 t
沿x方向传播的正弦波可写作： p p0 cos(t kx ) 其中
k
c0
2
称为波数
2.3 声阻抗率 声阻抗 特性阻抗
2.3.1 声阻抗率
把声压、振速用复数表示为
p p0 exp j (t kx )
u u0 exp j (t kx)
3.1,3.2 基本概念 声学量 波动方程 速度势函数(3学时)
ρ0 常 数
l
t
0 u u l
l u
略去二阶小量：
l
t
0 u
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
！得到的均匀、静止理想流体中小振幅波的连续性
方程为：
l
t
0 u
0
连续性方程
记住！
2、状态方程
理想流体中三个基本方程
依据热力学定律，建立 p ~ 关l 系。
声波作用下介质产生压缩伸张变化，介质的密 度和压强都发生变化。
基本思路
三个基本物理定律 三个基本方程
质量守恒定律 热力学关系（能量守恒定律）
牛顿第二定律（动量守恒定律)
连续性方程 状态方程 运动方程
波动方程
假设条件
理想流体介质
（1）理想，介质中机械运动无机械能损耗; （2）流体，介质中任一面元受力方向总是
垂直于面元； （3）连续性，介质中质团连续分布无间隙； （4）介质质团同时具有质量和弹性性质。
（3）推导连续性方程 因为，dxdydz框没有变，所以质量的变化改变 了dxdydz框内介质的密度：
m [(x, y, z,(t dt)) (x, y, z,t)]dxdydz
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
依据质量守恒定律： 流体的流动使得元体积内的质量增加
等于
密度变化使得元体积内质量的增加
[(x, y, z,(t dt)) (x, y, z,t)]dxdydz
((Ux ) (U y ) (Uz ))dxdydzdt
x
y
z
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
所以：
(x, y, z,t dt) (x, y, z,t) ((Ux ) (U y ) (Uz ))
声学中波动方程的建立
田佳星海洋技术今天我介绍一下声学中波动方程的建立。
我们首先介绍一下声学的基本概念。
声波是机械振动状态在介质中的传播。
存在声波的空间称为声场。
理论上描述声场需要引入一些物理量：声压、位移、振速、密度压缩量和相位等。
通常采用上述各物理量的时空分布函数描述声场。
下面对这些物理量作简要介绍。
1.基本概念1)声压（标量）其中，P 压e p 。
e p =2)两者均u d dt ξ=(2-3)对简谐振动，位移和振速都满足如下关系：0exp[]j t ξξω=，(2-4a)0exp[]u u j t ω=，(2-4b)其中，0ξ和0u 分别为位移幅值和振速幅值。
需要注意的是区分质点振速和声传播速度。
声传播速度是指振动状态在介质中传播的速度，而质点振速是指在给定时间和给定空间位置的某一质点的振动速度。
3)密度和压缩量密度的变化也是描述声波的一个物理量。
这里引入压缩量的概念：()0100ρρρρρ=-=s (2-5)其中，ρ密度，0ρ为静态密度，01ρρρ-=为密度改变量。
压缩量s 的含义为介质密度的相对变化量。
4)相位为描写简谐振动而引入的物理量。
它描述质点简谐振动的状态。
质点振动的一个周期对应着相位0-2π。
相位和质点振动状态有一一对应的关系。
声波是振动状态在介质中的传播，而相位描述的是质点简谐振动的状态。
由此可见相位在声场描述中的重要性。
以上物理量并不是独立的，如根据位移由(2-3)式可以求出振速。
实际应用时可根据需要选择使用哪些物理量来描述，如对简谐声波，只需要位移幅值和相位就可导出振速、加速度等基本物理量；更进一步，如果已知介质条件，只要知道位移幅值和相位的初值，就可计算声场的时空分布函数了。
2.1动方程，✧ ✧ ✧ （1） 理论推导见教材。
连续性方程即质量守恒定律：介质流入体元的净质量等于密度变化引起的体元内质量的增加。
()u tρρ∂=-∇⋅∂(2-6) 根据假设条件有：()0u tρρ∂=-∇⋅∂(2-7) 事实上，当介质本身有流动时，u 中含有介质流动速度的影响，相关理论可参阅朗道着《连续介质力学》。
经典波动方程推导
经典波动方程推导
经典波动方程是描述波动现象的重要方程之一，它在物理学、工程学等领域中具有广泛的应用。
以下是关于经典波动方程的一些列举，以展示其重要性和应用范围：
1. 波动方程的定义：经典波动方程是描述波动在空间和时间上的变化规律的数学表达式。
2. 波动的基本特征：波动是一种能量传递的过程，它可以传播能量而不传播物质。
3. 波动方程的一般形式：经典波动方程的一般形式是二阶偏微分方程，可以用来描述波动在空间和时间上的变化。
4. 声波方程：声波是一种机械波，它的传播可以用声波方程描述，声波方程是经典波动方程的一种特殊形式。
5. 光波方程：光波是一种电磁波，它的传播可以用光波方程描述，光波方程是经典波动方程的另一种特殊形式。
6. 波动方程的解：波动方程可以通过数学方法求解，得到波动的传播速度、波长、频率等信息。
7. 波动方程的应用：波动方程广泛应用于声学、光学、电磁学、地震学等领域，用于解释和预测波动现象。
8. 波动方程的数值模拟：由于波动方程的求解困难，人们通常采用数值方法对波动方程进行模拟和计算。
9. 波动方程的近似解法：对于复杂的波动问题，人们通常采用近似解法来求解波动方程，以简化计算过程。
10. 波动方程的发展：随着科学技术的不断发展，人们对波动方程的研究也在不断深入，涌现出了各种波动方程的变体和扩展。
通过以上列举，我们可以看到经典波动方程在科学研究和工程应用中的重要性和广泛性。
它不仅为我们理解和解释波动现象提供了重要的工具，还为我们设计和优化波动相关设备和系统提供了理论基础。
因此，深入研究和应用经典波动方程对于推动科学技术的发展具有重要意义。
波动方程_精品文档
波动方程波动方程是描述波动现象的数学模型。
它是最基本的物理方程之一，广泛应用于各个领域，包括物理学、工程学、地球科学等。
波动方程描述了波动传播的机制和特性，是许多领域中研究和分析波动现象的重要工具。
波动方程的一般形式可以表示为：∇²u = (1/c²) * ∂²u/∂t²其中，u是波动的物理量，∇²代表拉普拉斯算子，c是波速，∂²u/∂t²是波动量的二阶时间导数。
波动方程的解决了初值问题：给定初始条件下，求解在给定时间和空间范围内波动的传播和变化情况。
对于简单的一维情况，波动方程可以简化为：∂²u/∂x² = (1/c²) * ∂²u/∂t²这是常用的一维波动方程，描述了波沿着x轴的传播行为。
根据边界条件和初值条件，可以求解出特定系统下的波动解。
波动方程描述了各种类型的波动现象，包括机械波、电磁波、声波等。
在物理学中，波动方程常被用于研究弹性体的传播行为，如声波在空气中的传播、地震波在地壳中的传播等。
在工程学中，波动方程可以用于分析结构中的振动问题，如桥梁、建筑物等的振动特性。
在地球科学中，波动方程被广泛应用于地震勘探和地震波传播等研究。
波动方程的研究可以帮助我们理解和预测波动现象的行为。
通过求解波动方程，我们可以得到波的传播速度、波的形状、波的幅度等信息。
这些信息对于研究和应用波动现象都非常重要。
除了一维波动方程外，波动方程还可以推广到二维和三维情况。
在二维情况下，波动方程可以表示为：∇²u = (1/c²) * ∂²u/∂t²这是二维波动方程，描述了波沿着平面的传播行为。
在三维情况下，波动方程可以表示为：∇²u = (1/c²) *∂²u/∂t²这是三维波动方程，描述了波沿着空间的传播行为。
对于二维和三维情况，波动方程的求解相对复杂，但同样具有重要的应用价值。
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t
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
(0 t
l )
(0
l )(U0
u)
U0 0
00uu0lu u
u
l
l
u
ρ0 常 数
l
t
0 u u l
l u
理想流体中三个基本方程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
依据质量守恒，建立 l ~关u系。
质量守恒定律，在连续介质中，如果流进 与流出某一空间体积的流体质量不等，则 必将引起该体积中介质密度的变化。
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
z
C
G
M点的密度为： D x, y, z,t
设某一瞬时t，介质质点流过
M点的速度向量
A
o
假设声波作用的热力学过程是等熵绝热过程， 意味着声波能量在质团形变过程中没有损失。
2、状态方程
理想流体中三个基本方程
据热力学定律，质量一定的理想流体中，独立的热
力学参数只有三个。
例如，取热力学参数：压强 、P 密度 及熵值 ，s则
有关系：
P P(, s) f (, s)
如果，在声波作用下，P经“等熵过程”，从
（1）在dt时间段，介质质点X方向流速引起的在dxdydz 框中介质质量的变化：
dt时间段从ABCD面流入dxdydz框中的质量：
U
x
U x
x
dx 2
dydz
dt
dt时间段从EFGH面流入dxdydz框中的质量：
U
x
U
x
x
波动方程的推导
声波的波动方程：描述声场空间、时间变化 规律和相互联系的方程。
基本思路
三个基本物理定律 三个基本方程
质量守恒定律 热力学关系（能量守恒定律）
牛顿第二定律（动量守恒定律)
连续性方程 状态方程 运动方程
波动方程
假设条件
理想流体介质
（1）理想，介质中机械运动无机械能损耗; （2）流体，介质中任一面元受力方向总是
P0 (0, s0 ) P(, s0 )
则在 (0, 点s0 )作
P幂(级, s数0 )展开，有：
2、状态方程
理想流体中三个基本方程
P(, s)
P0 (0 , s0 )
f
|0 ,s0
(
0
)
......
1 n!
(n) f
(n)
|0 ,s0
(
0)n
声音的产生
声波（sound wave ）是一种机械波； 产生声波的两个必要条件：
声源（ sound source）－机械振动的物体 介质（medium ）－机械振动赖以传播的介
质
声音的产生
声音的产生
声波传播时，介质质点只在平衡位置附近 振动，并没有随声波传播。
声音的产生
声音可以在一切弹性介质中传播。 纵波：声波的传播方向与质点振动方向一致。 横波：声波的传播方向与质点振动方向垂直。
.......
如果是小振幅波，则声学量和声学量的各阶时间或空
间导数为一阶小量。 略去高阶小量，有：
p
(
f
)0s0
l
2、状态方程
理想流体中三个基本方程
定义, c0 ( p为) 介0 ,s质0 的等熵波速。
它是介质的固有性质。 （后续课可知它与介质中波传播的速度有关）
f
( ( )0,s0 0)
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
所以：
(x, y, z,t dt) (x, y, z,t) ((Ux ) (U y ) (Uz ))
dt
x
y
z
得：
(x, y, z,t) ((U x ) (U y ) (U z ))
t
x
P x
x
dydz
2
Pxdydz
x
x, y,z
2
dydz
沿 ox方向的合力为
Fx
P
x
x 2
Px x 2
dydz
P x
dxdydz
x,y,z
3、运动方程
理想流体中三个基本方程
同理得 oy,方oz向的合力为
Fy
P y
dxdydz
x,y,z
Fz
......
P(, s) P0 (0 , s0 )
f
|0 ,s0
l
...... 1 (n) f
n! (n)
|0 ,s0
l n
.......
p(, s)
f
|0 ,s0
l
1 (n) f
...... n! (n)
|0 ,s0
l n
中的dx净dy余dz量分别为
方oy向,o流z 量在
y
U
y
dx
dydz
dt
z
U
z
dx
dydz
dt
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
所以，在dt时间段，介质质点流速U (x, y, z,引t) 起 的在dxdydz框中介质质量的增加为：
是速度量纲; M.K.S制中,单位: m/s (米/秒)
！！得到的均匀、静止理想流体中小振幅波的状态方程为：
p c02l
状态方程 记住！
3、运动方程
依据牛顿第二定律, 建立
理想流体中三个基本方程
p ~关u系 。
（1）运动方程推导
z
介质中取质量微团
ABCDEFGH 六 面 体 , 边
D
长分别为：dx，dy，dz
垂直于面元； （3）连续性，介质中质团连续分布无间隙； （4）介质质团同时具有质量和弹性性质。
正是因为介质质团同时具有弹性和质量， 才能形成波---振动的传播。
声波为小振幅声波－线性波动方程
3.2.1 理想流体中三个基本方程
主要内容
❖ 1、连续性方程 ❖ 2、状态方程 ❖ 3、运动方程
1、连续性方程
2、质点振速的基本概念
在声波的作用下，介质质点围绕其平衡位置作往复 运动，其瞬时位置及振动位移和瞬时速度随时间变 化，可用质点位移或速度描述声场。
设没有声波扰动时，介质的静态流速为
U0
x,
y,
z,
t
在声波的作用下流速变为 Ux, y, z,t
流速的改变量
ux, y, z,
t
Ux,
A
Ax
Ay
Az
x y z
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
连续性方程表示为
U
t
称U为流通密度:单位时间内流过与速度方
向垂直的单位面积的质量。
连续性方程：表示流通密度在某一点散度的 负值等于该点介质密度的时间变化率。
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
水中质点位移比空气中质点位移更小
3、密度逾量
设没有扰动时，介质的静态密度为 0 x, y, z
在声波的作用下变为 x, y, z,t
定义： l x, y, z,t x, y, z,t 0x, y, z
为介质中声场的密度逾量。 MKS制中，基本单位：kg/m
略去二阶小量：
l
t
0 u
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
！得到的均匀、静止理想流体中小振幅波的连续性
方程为：
l
t
0 u
0
连续性方程
记住！
2、状态方程
理想流体中三个基本方程
依据热力学定律，建立 p ~ 关l 系。
声波作用下介质产生压缩伸张变化，介质的密 度和压强都发生变化。
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
依据质量守恒定律： 流体的流动使得元体积内的质量增加
等于
密度变化使得元体积内质量的增加
[(x, y, z,(t dt)) (x, y, z,t)]dxdydz
((Ux ) (U y ) (Uz ))dxdydzdt
x
y
z
m
x
U
x
y
U
y
z
U
z
dx
dydz
dt
1、连续性方程
理想流体中三个基本方程
（3）推导连续性方程 因为，dxdydz框没有变，所以质量的变化改变 了dxdydz框内介质的密度：
m [(x, y, z,(t dt)) (x, y, z,t)]dxdydz
P z
dxdydz
x,y,z
利用哈密顿算子，
(i
j
表示k 质 )量
微团受到的合力：
x y z
振动与声基础
第三章 理想流体介质中小振幅波的基本规律
3.1 基本声学量和理想流体中的基本方程
主要内容
3.1.1 基本声学量 3.1.2 理想流体中三个基本方程
声音的产生
声音的产生
声音的产生
什么是声音？
苏东坡在赤壁赋中说: “耳得之而为声”