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什么是声波,什么是声音?

[日期:2007-09-13]   发布:物理组   阅读:7672次       [字体: ]
    

声学基础知识

一 什么是声波,什么是声音?

1·什么是声波?

从物理现象而言,物体振动后接触到空气,激振空气而发生空气压力的波动。形成空气质点向外传送,产生稠密层与稀疏层。也就是空气的分子被交替地压紧与放松,空气密度高时,气压高于稳态的大气力。疏时,气压小于稳态的大气压力,这就是压力波动而形成的声波运动。

声波运动可藉固体、液体、或气体传送,但我们在音响的范畴里。所谓的声波系指振动藉由空气传送者而言。

    物体振动空气所产生的疏密波,进入人耳的外耳道,到达人耳的耳膜,振动耳膜所引起的听觉感觉叫做 “声音”。 声音只是压力波通过空气的运动。压力波振动内耳的小骨头,这些振动被转化为微小的电子脑波,它就是我们觉察到的声音。内耳采用的原理与麦克风捕获声波或扬声器的发音一样,它是移动的机械部分与气压波之间的关系。自然,在声波音调低、移动缓慢并足够大时,我们实际上可以“感觉”到气压波振动身体。因此我们用混合的身体部分觉察到声音。但人耳能听到的频率范围是很有限的,因此我们所谓的声音,乃指能引起人耳能感觉的振动频率而言。更高或更低的频率不能引起人耳听觉反应的不称为声音,超过人耳低频感觉以外的为“低声波”( Subsonic )。而超过人耳高频感觉以外的为“超音波”(Ultrasonic)。

先从声源开始。用鼓槌捶击军鼓,鼓槌捶击在鼓头的穹形鼓皮上,鼓皮振动,振动的鼓皮然后就推动空气,产生从鼓头和鼓体发出并散开的压力波。因此,“压力波”从声源向外发出并散开。为了证明这一点,向公园内的池塘或家中的水槽内抛入一个石头,看看落入水中的物体产生的水波是如何从被干扰的波源散开的。另外注意,如果抛入水槽或像碗一样的封闭容器中,波纹、振动是如何碰到边缘、然后从壁上反弹回的。观察封闭容器内的波纹、水波,就给了你一些声音是如何在个封闭的屋子里移动,从墙壁上反弹回的概念。另外注意,石头、石块越大,产生波纹的间距就远远比小物体的要大。                   

2·声波是如何在空气中传送的?           

声波的传送很类似石子掉入水池中所造成的向四面扩散的涟波,由石子的落池点开始,形成由小到大,一环一环的同心涟波,向四面扩散。我们可以看到这一环一环高起水平面的波形是波顶,而一环一环低于水平面的是波谷,如果我们用图来表示的话。水平面为0点,涟波是呈弧形的形状,高于水平面的是波峰,低于水平面的是波谷。          

而声波也是由音源向各方向把空气分子交替地压紧与放松的。如果我们也用图来表示的话,压紧为波峰,放松是波谷。空气最紧密的地方是波顶,最放松的地方是波谷, 0 点是稳态的大气压力,压紧与放松之间的相隔时间则视音源振动的速率而定。                      

二、声音与耳朵之互动关系              

1·人耳是如何感知声音的?              

   人耳的构造非常复杂,由外耳道、耳膜(鼓膜)、中耳腔、内耳的耳蜗组成。                  
   声波由空气中的疏密波传送到人耳的外耳道来到耳膜,疏密波为密时,耳膜向内侧压;疏密波为疏时,耳膜向外侧引,耳膜受到压力的变化而振动。经由耳膜之后中耳腔内的骨、砧骨、镫骨传到内耳蜗听觉神经。            

2·什么叫做人耳内的阻抗变换?           

人耳内的耳膜振动传到耳蜗时,耳膜的机械阻抗较低。而充满淋巴液的耳蜗机械阻抗较高,为了传达的效率高,需要相当于电路中的阻抗匹配变压器。而鼓腔内的小骨就是负责阻抗匹配的任务,耳膜的面积为50mm2,而镫骨的面积为3.2mm2,因此可以进行面积比的阻抗变换。            

3·人耳的平衡感是由什么器官掌管的?         

人耳的平衡感觉是由三半规管进化而来的,三半规管是保持气压的平衡的器官,声音到达鼓室之后。鼓室里充满了空气,经欧式管通往咽喉,而藉以使鼓膜内外的气压保持平衡。 

我们坐飞机或高速电梯,它们剧烈升降时,鼓膜内外的气压就会失去平衡。鼓膜被推向内侧或外侧而偏位,吞下唾液或打呵欠的气压,就可以经由欧式管使鼓膜内侧气压与外侧相同。  

4·人耳的可听频率范围是多少?           

人耳可以听到的频率范围为20Hz~20KHz(波长17m~34mm)。其可听的最高频部分,会因人而异,并会随着年纪增高而递减。年纪越高听到的高频就越少。人耳能感受到的最低频约为20Hz。有些喇叭的低频虽达16Hz,但给人的感觉要比实际频率高。