声音：历史，特征，产生方式，类型 - 物理 - 2025

的声音被定义为扰动在如空气的介质传播，交替它产生压缩和扩张中它。气压和密度的这些变化会到达耳朵，并被大脑解释为听觉。

自声音诞生以来，声音就伴随着生活，构成了动物相互之间以及与周围环境进行交流的工具的一部分。有人说植物也能听，但是在任何情况下，即使它们没有像高等动物那样的助听器，它们也能感知环境的振动。

图1.声屏障破裂

人们不仅使用声音通过语音进行交流，还通过音乐将其用作艺术表现形式。古老和近来的所有文化都有各种各样的音乐表现形式，通过它们他们的故事，风俗，宗教信仰和感受得以讲述。

历史

由于其重要性，人类开始对研究其本质感兴趣，并创造了声学，这是专门研究声波特性和行为的物理学分支。

众所周知，著名的数学家毕达哥拉斯（Pythagoras）（公元前569年至475年）花了很长时间研究声音之间的高度（频率）差异。另一方面，对自然的各个方面进行推测的亚里斯多德正确地断言声音是由空气的膨胀和压缩组成的。

后来，著名的罗马工程师维特鲁威（Vitruvius）（公元前80-15年）撰写了一篇有关声学及其在剧院建设中的应用的论文。艾萨克·牛顿本人（1642-1727）研究了固体介质中声音的传播，并确定了传播速度的公式。

随着时间的流逝，计算的数学工具使充分表达波浪行为的所有复杂性成为可能。

声音特性（属性）

最简单的形式是，声波可以描述为在时间和空间中传播的正弦波，如图2所示。在图中可以看到，声波是周期性的，即具有一种及时重复的方式。

作为纵波，传播方向和振动介质的粒子移动的方向相同。

声波参数

图2.声音是纵波，扰动以分子经历位移的相同方向传播。资料来源：维基共享资源。

声波的参数为：

周期T：是重复波浪相位所花费的时间。在国际系统中，以秒为单位。

周期：是周期内包含的波浪的一部分，从一个点到另一个点，具有相同的高度和相同的斜率。可以从一个山谷到下一个，从一个山脊到下一个，或者从一个点到另一个满足上述规格的点。

波长λ：是波的一个波峰与另一个波峰之间，一个波谷与另一个波谷之间，或通常在一个点与另一个波峰之间具有相同高度和坡度的距离。作为长度，它以米为单位进行测量，尽管其他单位更取决于波的类型。

频率f：定义为每单位时间的循环数。它的单位是赫兹（Hz）。

振幅A：对应于波相对于水平轴的最大高度。

声音是如何产生和传播的？

如图2底部所示，当浸入材料介质中的物体振动时，会产生声音。左侧扬声器的拉紧膜振动并通过空气传播干扰，直至到达到达听众。

随着干扰的扩散，能量被传递到环境中的分子，这些分子通过膨胀和压缩彼此相互作用。您始终需要用于传播声音的物质介质，无论是固体，液体还是气体。

当空气中的干扰到达耳朵时，气压的变化会引起鼓膜振动。这会产生电脉冲，该电脉冲会通过听觉神经传递到大脑，一旦电脉冲转化为声音。

音速

给定介质中机械波的速度遵循以下关系：

例如，在像空气这样的气体中传播时，声速可以计算为：

随着温度的升高，声速也随之升高，因为介质中的分子更愿意振动并通过其运动传递振动。另一方面，压力不会影响其价值。

波长和频率之间的关系

我们已经看到，波完成一个周期所花费的时间是周期，而在该时间段中行进的距离等于一个波长。因此，声速v定义为：

另一方面，频率和周期是相关的，一个是另一个的倒数，如下所示：

这导致：

人体的可听频率范围在20到20,000 Hz之间，因此用上式中的值替换时，声音的波长在1.7 cm到17 m之间。

这些波长是普通物体的大小，会影响声音的传播，因为它是波，遇到障碍时会经历反射，折射和衍射。

发生衍射意味着声音在遇到与波长接近或小于其波长的障碍物和开口时会受到影响。

低音声音最好在远距离传播，这就是大象使用次声（非常低频的声音，人耳听不见）在其广阔领土上进行交流的原因。

同样，当附近的房间里有音乐时，由于低音的波长约为门窗的大小，因此其声音要比高音更好。另一方面，当离开房间时，高音很容易丢失，因此不再被听到。

声音如何测量？

声音由空气的一系列压缩和稀疏组成，当声音传播时，声音会导致压力升高和降低。在国际系统中，压力以帕斯卡为单位，缩写为Pa。

与大气压力（大约101,000 Pa）相比，这些变化很小。

即使是最响亮的声音也会产生20-30 Pa（疼痛阈值）的波动，相比之下，波动幅度很小。但是，如果您可以测量这些变化，则可以测量声音。

声压是有声大气压与无声大气压之差。如前所述，最大的声音产生20 Pa的声压，而最弱的声音产生大约0.00002 Pa（声音阈值）。

由于声压的范围跨度为10的几次幂，因此应使用对数刻度来表示它们。

另一方面，通过实验确定，与强度相同但强度相同的声音相比，人们对低强度声音的感觉变化更为明显。

例如，如果声压增加1、2、4、8、16…，则耳朵会感觉到强度增加1、2、3、4…。因此，方便的是定义一个新的量，称为声压级（Sound Pressure Level）L _P，定义为：

其中P _o是作为听力阈值的参考压力，P ₁是平均有效压力或RMS压力。RMS或平均压力就是耳朵感知到的声音信号的平均能量。

分贝

当针对P _1的各种值进行评估时，上述L _P的表达式的结果以分贝（无量纲）给出。这样表达声压级非常方便，因为对数将大数字转换为更小，更易于管理的数字。

但是，在许多情况下，最好使用声音强度而不是声压来确定分贝。

声强是在垂直于波传播方向定向的单位表面上流过一秒钟的能量（功率）。像声压一样，它是一个标量，记为I。I的单位为W / m ²，即每单位面积的功率。

可以看出，声音的强度与声压的平方成正比：

在此表达式中，ρ是介质的密度，c是声速。然后，将声音强度水平L _I定义为：

也用分贝表示，有时用希腊字母β表示。参考值I _o为1 x 10 ^-12 W / m ²。因此，0 dB代表人类听力的下限，而疼痛阈值为120 dB。

由于它是对数刻度，必须强调的是，分贝数的微小差异会在声音强度方面产生很大的差异。

声级计

声级计或分贝计是用于测量声压的设备，以分贝表示测量值。它旨在以与人耳相同的方式对其做出响应。

图3.声级计或分贝计用于测量声压级。资料来源：维基共享资源。

它由一个麦克风来收集信号，更多的带有放大器和滤波器的电路组成，这些电路负责将信号充分转换为电流，最后是一个标尺或屏幕以显示读数结果。

它们被广泛用于确定某些噪音对人和环境的影响。例如工厂，工业，机场的噪音，交通噪音等。

声音类型（次声，超声，单声道，立体声，复音，同音，低音，高音）

声音的特征在于频率。根据人耳可以捕获的声音，所有声音都分为三类：我们可以听到的声音或可听频谱，频率低于可听频谱或次声声音下限的声音以及高于可听频谱的声音。上限，称为超声波。

无论如何，由于声波可以线性重叠，所以有时被我们解释为独特的日常声音实际上是由频率不同但频率接近的不同声音组成的。

图4.声音频谱和频率范围。资料来源：维基共享资源。

可听频谱

人耳的拾音范围很广：介于20到20,000 Hz之间，但并非此范围内的所有频率都具有相同的强度。

耳朵在500到6,000 Hz之间的频带中更敏感，但是，还有其他一些因素会影响声音的感知能力，例如年龄。

次声

它们是频率低于20 Hz的声音，但是人类听不到它们的事实并不意味着其他动物听不到。例如，大象使用它们进行交流，因为次声可以传播很长的距离。

老虎等其他动物则用它们来使猎物昏迷。次声也可用于大型物体的检测。

超音波

它们的频率大于20,000 Hz，并广泛用于许多领域。超声波最显着的用途之一是作为诊断和治疗的医学工具。通过超声获得的图像是非侵入性的，并且不使用电离辐射。

超声波还用于查找结构中的故障，确定距离，在导航过程中检测障碍物等等。动物也利用超声波，事实上，这就是发现超声波的方式。

蝙蝠发出声音脉冲，然后解释它们产生的回声以估计距离并定位猎物。对狗而言，它们也可以听到超声波，这就是为什么它们会回应主人听不到的狗哨声的原因。

单声道声音和立体声声音

图4.在录音室中，声音可以通过电子设备适当地修改。资料来源：

单声道声音是使用单个麦克风或音频通道记录的信号。使用耳机或号角收听时，两只耳朵都听到完全相同的声音。相反，立体声声音使用两个独立的麦克风记录信号。

麦克风位于不同的位置，因此它们可以拾取要录制的声音的不同声压。

然后，每个耳朵都会收到这些信号中的一组，当大脑聚集并解释它们时，结果比听单声道声音时要真实得多。因此，在音乐和电影方面，它是首选的方法，尽管单声道或单声道声音仍在广播中使用，尤其是在采访和对话中。

同音和多音

在音乐上，同调由两个或多个声音或乐器演奏的相同旋律组成。另一方面，在复音中，有两种或多种同等重要的声音或乐器跟随旋律甚至不同的节奏。这些声音所产生的合奏是和谐的，例如巴赫的音乐。

低音和高音

人耳将可听频率区分为高，低或中。这就是所谓的音高。

1600至20,000 Hz之间的最高频率被认为是锐音，400至1600 Hz之间的频带对应于中等音调的声音，最后，20至400 Hz范围内的频率是低音。

低音与高音的不同之处在于，前者被感知为深沉，黑暗和轰鸣，而后者则被感知为明亮，清晰，愉悦和刺耳。而且，耳朵会把它们解释为更强烈，而不像低音会产生较小强度的感觉。

参考文献

1. Figueroa，D.，2005年。《波与量子物理学》。系列：科学与工程物理。由D. Figueroa编辑。
2. Giancoli，D.，2006年。《物理：应用原理》。6号 埃德·普伦蒂斯·霍尔（Ed Prentice Hall）。
3. Rocamora，A。关于音乐声学的笔记。从以下地址恢复：eumus.edu.uy。
4. Serway，R.，Jewett，J。（2008）。科学与工程物理。第1卷。第7卷。Ed。Cengage学习。
5. 维基百科。声学。摘自：es.wikipedia.org。