声音的产生与传播

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1、物质科学选讲北京教育学院 叶禹卿第三讲 声音的产生与传播一、声音是由物体的振动产生的 1振动的物体发出声音物体在某一个位置附近所做的往复运动叫做振动。在物理学中，振动通常指周期性振动。即经过一定时间，物体又恢复原来形状、回到原来的位置。观察任何一个正在发声的物体，都能发现它们在振动，不振动的物体是不会发出声音的。能飞翔的蜜蜂、蚊子、苍蝇等，能发出“嗡嗡嗡”的“叫声”，它们的叫声是由于翅膀振动发出来的。人说话或者唱歌时，声带振动发声；瀑布中的水从高处落下撞击石头，引起空气振动发声；用砂轮打磨工件，砂轮与工件相互磨擦，它们都会振动发声；图中的青蛙叫做“叫蛙”，它与一般青蛙不同之处就是它有一个很大的

2、气囊（图中的鼓出部分）气囊振动时发出巨大的声音。有一种树叫做“笑树”，它的果实外壳上面有许多小孔，如果有风吹动，壳里的籽就会撞击壳壁发出“笑声”。长颈鹿没有发声器官，所以长颈鹿为总是那么安静。【例1】把一个鼓平放后，在上面放上一些纸屑，然后用锤敲打鼓面使之发声，这时会看到什么现象？此现象说明了什么？【例2】 设计实验说明振动物体发出声音。2常见乐器如何发声常见的乐器可以分为打击乐器、弦乐器和管乐器。锣、鼓等是打击乐器，如果敲击锣面、鼓面，它们会振动发声。钢琴、风琴、三弦琴、扬琴等是弦乐器，如果拨动或敲击它们的弦使其振动，就会发声。笛子、小号等是管乐器，如果向管内吹气，管中的空气柱就会振动发声。

3、电子琴靠其内电子元件产生的振动发声。3声音的记录图31振动膜钢针声音早期的唱片能够记录声音和“放出”声音。观察唱片表面，可以发现上面有一圈一圈的沟槽。就是这些沟槽记录了声音。最初的录音器是1877年由美国人爱迪生发明的。图31为录音的原理图，对着振动膜说话，振动膜就会按照声音振动。振动膜与一根钢针相连，钢针的针尖触在正在旋转并沿着轴线移动的圆盘上，钢针就在圆盘上刻出深浅不同的沟纹，将声音记录在圆盘上。放音的过程与录音的过程相反。钢针放在圆盘的沟槽中，圆盘按照录音时的速度转动，迫使钢针振动；钢针又带动振动膜振动发出声音。放音时，钢针的振动情况与录音时钢针振动的情况相同，所以振动膜发出与录音时相同

4、的声音。现代录音设备与早期录音设备有很大差异，但原理基本相同。只是先将声音转换为电信号、光信号，再将它们记录在唱片、磁带、光盘上。放音过程也与录音过程相反，让唱片、磁带、光盘转动，得到与录音时相同的电信号、光信号，放大后用扬声器转换为声音。二、声音的传播 1声波声音靠物质传播。没有物质，声音就无法传播。发声物体产生的振动，振动的传播称为波，声波是声音在物质中的传播。声波是机械波，需要有能够传递振动的物质，如果发声物体的周围没有物质，就无法形成声波，不能将振动向外传播。将闹钟放在被抽成真空的罩子里，在罩子外面就无法听到闹钟发出的声音。在月球上没有空气，人们在那里只能借助无线电话交谈。产生声波的具

5、体过程是：振动的物体带动周围的物质运动，产生相应的振动。这些振动的物质，又带动较远的其他物质振动，使振动向外传播。【例3】在钓鱼时需要特别安静，如果有人在岸上说话，就有可能把鱼吓跑。这是为什么？【例4】 用一次性水杯、细线等，做一个用细线传递声音的“电话”。2声音在空气中是怎样传播的？声波与水波相似，都是把振动由近及远地传送出去。当物体振动时，它就会压挤或拉伸周围的空气，迫使空气按照自己振动的规律振动。这些振动的空气又会压挤或拉伸它周围的空气，同样按照发声物体的规律振动，将振动向外传播。如果将手放在嘴的前方，可以感到说话时有空气振动、有“气”撞击你的手。在喇叭的前面放一根点燃的蜡烛，可以看见在

6、喇叭发出声音的时候，蜡烛的火苗随着声音前后晃动。声音在其他介质中的传播与在空气中的传播相似。图32空气中的声波是一种“疏密波”。图32中的人敲鼓，鼓膜振动产生声波。左面为空气粒子振动所产生声波的示意图，颜色较深的区域的空气粒子比较密集。两张桌子紧紧地靠在一起，振动从一张桌子传递到另一张桌子比较容易，趴在桌子上的人听到的声音比较大。如果让两张桌子离开一个小缝，在空隙中的振动只能靠空气传播，所以趴在桌子上的人听到的声音比较小。地球表面有空气，远处出现的电闪雷鸣时，空气将雷声向周围传递。3声音的速度声音的传播需要时间，声音在1s钟通过的距离叫做声音的速度，简称声速。声速与物质种类、温度高低有关。声音

7、在固体中传播速度比液体中大，在液体中传播速度比气体中大。即使同是固体，在不同的物质中声波传播速度不同；同一种物质温度不同传播的速度也是不同的。空气中的声速约为341m/s；声音在液体中的传播速度较大，25的海水中的声速是1531m/s；声音在钢、铁中的声速约为5960m/s。将耳朵贴在铁轨上，能够早些时间得知火车开动的情况。其原因就是在钢铁中的声速大于空气中的声速。由于声音的传播需要时间，所以在较为精细的测量中，需要考虑声速的影响例如测定运动员跑百m的时间，如果裁判员靠听到发令员的枪声后开始计时，肯定会晚一些时间，大约要晚(100/341) s，即0.3s。所以，裁判员要在发令员开枪时，看到枪

8、所发出的光时就开始计时。 【例5】A、B两点距离为3km，在A点放炮、B点观察。若B点看到火光后开始计时，听到炮声停止计时，测量时间间隔为8.8s。求声音传播的速度。【例6】 百米赛跑时，终点的计时员必须看到发令枪的烟火就开始计时。如果比赛时的空气温度为15，计时员听到枪声开始计时，所记录的成绩与运动员的实际成绩相比，一定 ( )A少了2.94s B多了2.94sC少了0.294s D多了0.294s4声音的反射在没有遇到障碍物时，声波沿直线传播；在遇到障碍物时，声波将在界面发生反射。声波在大面积障碍物上的反射叫做回声。声波的反射和回声有很广泛的用途。北京的天坛是在距今300多年前的明朝修建的

9、。在天坛内有一座“皇穹宇”，它的四周是个圆形的墙，称为回音壁。回音壁的中心（即圆心）有块石板，称为三音石。回音壁的直径约65m。如果你对着墙轻声说话，声波将被墙反射，沿墙壁传播。在三音石上拍一下手，能够听到连续的3次回声，每次回声的间隔约0.2s。【例7】面对着高墙拍一下手，要能区别自己的拍手声和高墙反射回来的回声，你至少要离高墙远？【例8】 甲敲打铁轨的一端，远处的乙先后听到两次敲打声，时间间隔1s。已知声音在铁中传播速度为5000m/s，试求甲、乙间的距离。图32三、人对声音的接收 1人耳的构造人耳分为外耳、中耳、内耳三个部分，如图32所示。外耳由耳廓和外耳道构成。耳廓的形状像一个漏斗，有

10、收集声音的作用；外耳道长约2.5厘m，是传递声波的通道。哺乳动物的耳廓比较大，而且能够转动，便于辨别声援的方向。食草动物的耳廓大、食肉动物的耳廓较小。人的耳廓及其转动功能已经退化。外耳道的终端是鼓膜。中耳由鼓膜、鼓室、听小骨、中耳肌及咽鼓管等构成。鼓膜是一个弹性好的膜，在受到声波作用时能产生相应的振动。它的振动与声波的振动完全相同。中耳内有三块听小骨，分别是锤骨、砧骨和镫骨，三块听骨共同构成了一个杠杆系统。咽鼓管是鼓室与咽腔相通的管道，在吞咽或哈欠时打开，使中耳气压与外界气压平衡。在开炮、放爆竹时张大嘴的目的，是使鼓室与咽腔相通，减小巨大爆炸声对听觉的冲击。内耳主要有前庭半规管和耳蜗两部分。耳

11、蜗是一个形似蜗牛壳的骨管，其内充满了淋巴液。2人是怎样听到声音的？人靠耳朵听取声音，耳朵是人的声音感受器，能够接收的声音频率范围为16赫兹到20000赫兹，对1000赫兹到200赫兹的声音最敏感。声波进入内耳后，引起淋巴液的振动，产生一系列的电位变化。电位变化传到大脑的听觉中枢，产生声音的感觉。不同频率的声波引起的振动情况不同，形成的电位变化不同，引起的音调感觉不同。3人听到声音所需要的条件人听到声音需要下面的四个条件：（1）有声波到达人的内耳。声波传至内耳的途径有两条：一条是通过耳、中耳传至内耳；另一条是通过振动颅骨传至内耳。（2）人的听觉系统不出现故障。需要进入人耳的通道通畅五阻；听觉系统

12、中的各个部分完好无损。（3）声响达到一定的数量。需要到达耳朵的声波具有一定能量。（4）声音的频率在某一范围内。超过20000赫、不到20赫的声音人都无法听到。【例9】 蝴蝶在飞行时，翅膀在不停振动，为什么我们听不见翅膀振动发出的声音？【例10】某种昆虫靠翅膀的振动发声。如果这只昆虫在2s内做700次振动，频率是多少？人类能听到它发出的声音吗？【例11】 把蝙蝠的耳朵堵住，它就会到处碰壁，捉不到昆虫如果把堵住耳朵的东西拿掉，蝙蝠又能正常飞行了。这是为什么？4声音的骨导骨头是声音的良导体声音的振动还可以通过头盖骨，经过外耳、中耳直接传到内耳。如果我们把敲响的音叉尾部，紧在头顶或牙齿上，同时把耳朵封

13、堵、塞紧，音叉的振动可经过头盖骨传人内耳，刺激听觉神经，使我们依然能够清楚地“听”到声音。这种传导方式叫做“骨导”【例12】著名的德国音乐家贝多芬晚年耳聋，于是他用一根棒来听取钢琴的演奏。具体的做法是：取一根棒，把棒的一端紧贴在钢琴上，用牙齿咬住棒的另一端。请从物理的角度进行分析。【例13】修理机器的工人在检查机器内部是否存在问题时，常将螺丝刀的尖端（或铁棍的一端）与机器接触，把柄（或铁棍的另一端）按在耳朵上，确定机器是否出现故障。这是为什么？5双耳效应人用两只耳朵可以分辨声源的方向。主要原因是两只耳朵各自收听同一个声源发出的声音，感受到了声音大小、时间先后、振动情况，通过大脑的分析比较，就可

14、以判断出声源的位置。（1）如果两只耳朵感受到的声音强弱不同，说明声源不在人的正前方。假如声源在人的右方，右耳听到的声音就会比左耳强。（2）如果两只耳朵感受到的声音时间先后不同，也说明声源不在人的正前方。假如声源在人的右方，右耳与声源的距离比左耳小，结果是右耳先听到声音、左耳后听到声音。（3）如果两只耳朵感受到的振动的情况有差别，同样说明声源不在人的正前方。波是振动的传播，假如声源在人的右方，右耳接收到的振动会比左耳接收到振动的时间早一些。【例14】 说明“立体声”的原理。6听阈、痛阈和听觉区域刚能引起人耳听觉反应的最小声音刺激量，称为听阈。刚能引起人耳不适或疼痛的最小刺激量，称为痛阈。听阈曲线

15、和痛阈曲线之间的范围，称为听觉区域。人耳对不同频率声音的敏感性不同，对1000Hz的中频声音最敏感，高频声音次之，对低频声音的敏感性最差。人的听觉能力下降或听力损失，叫做失聪，俗称耳聋。耳聋者可能失掉收听高音的能力，有的不能听到低音，或者只能听到某一种高度的声音，有的则可能听不到所有频率的声音。世界卫生组织按照能够听到声音大小，将人的听力分为“正常”、“轻度聋”、“中度聋”、“中重度聋”、“重度聋”和“极度聋”或“全聋”几种。造成失聪的原因很多，有由年老引起的，有由噪音导致的，也有由疾病、外伤等造成的。为延缓听力衰老和保持耳的健康，必须注意预防保健，主要有三个方面：（1）避免噪音危害，远离噪音

16、环境或采用耳塞、耳罩、隔音帽等防护措施；（2）预防耳部外伤、中耳炎及影响听力的其它全身性疾病的发生；（3）谨慎使用耳毒性药物如庆大霉素、链霉素、卡那霉素等。四、声音的三个要素1音调音调就是我们通常说的声音的高低。按照一个歌谱来唱歌，“7”的音调比“3”的音调高。一般说来，儿童的音调比成人高，女同志的音调比男同志的高。发声体每秒钟振动的次数叫频率。频率的单位是赫兹，简称赫，用Hz表示。发声体发出声音的音调高低是由它振动的频率决定的。频率越大，音调越高；频率越小，音调越低。人能够听到声音的频率范围大约是20Hz20000Hz，其中最敏感的频率为2000Hz3000Hz。老年人的听觉随着年龄而衰退，

17、能听到的频率约为50Hz12000Hz。动物所能听到的声音频率范围比人大。人的歌唱声的频率不同，大约男低音的频率为60Hz，女高音的频率为2500Hz，通常男子说话声的频率为95Hz142Hz，女子说话声的频率为272Hz553Hz。C大调各音的频率关系如下： “1”(Do)音的频率f1=264Hz，“2”(Re)音的频率f2=297Hz，“3”(mi)音的频率f3=330Hz，“4”(fa)音的频率f4=352Hz，“5”(sou)音的频率f5=396Hz，“6”(La)音的频率f6=440Hz，“7”(Si)音的频率f7=495Hz，“1”(Do)频率f1=528 Hz。【例15】什么因素

18、决定音调的高低？ 【例16】把自行车的后轮支起，使后轮空转。手拿一块硬塑料片，让塑料片与车辐条接触，被拨动发声。硬塑料片振动所发出的声音，与车轮的转动速度有什么关系？2响度响度是我们主观上感觉到的声音强弱，也就是我们平时所说声音的大小。响度由发声体振幅(振动时偏离原来位置的最大距离)的大小和观察者距声源的远近决定。发声体振幅越大，响度越大；振幅越小，响度越小。观察者距发声体越远，响度越小；距发声体越近，响度越大。【例17】 用不同的力量敲打音叉，与音叉接触的乒乓球振动幅度有什么明显的不同？这种现象说明了什么？【例18】声音的响度决定于 ( )A发声体振动频率 B离发声体的距离C发声体振动的振幅

19、 D发声体种类3音色乐器合奏时，即使各乐器的音调一样高，响度相同，也能够区别出各种乐器的声音。声音由基本频率（称为基音）和频率加倍的辅助音（称为谐音）组成，不同乐器所发出声音的区别是各个谐音的多少、大小不同。各种乐器发出的声音都有自己的特色。音色与音调不同，它反映了声音中各种频率声音的组合情况。【例19】为什么不同的人说话或唱歌时的音色会不相同？4乐器音调的改变物体振动有自己的振动频率，例如弦乐器中用弦的振动频率与它的长度、粗细等有关。长度较长、较粗的弦振动频率较低；长度较短、较细的弦振动频率较高。改变弦的长度和粗细，可以改变它的振动频率。胡琴、吉它、提琴、古铮等弦乐器，通过改变振动的手指按压

20、弦的位置改变弦振动的长度，改变音调的高低。锣的振动频率与锣面的面积大小和厚度有关。面积较大、较厚的锣面，振动频率较低；面积较小、较薄锣面的振动频率较高。鼓、钟等其他打击乐器的情况与锣相似。由于这些打击乐器的结构在制作时已经固定，所以它们所发声音的频率也基本固定。笛子等管乐器靠乐器内空气柱的振动发声。空气柱的振动频率与其长度有关。长的空气柱振动频率比较低；短的空气柱振动频率比较高。通过改变空气柱的长度就可以改变管乐器音调的高低。【例20】为什么开水倒在地上为“扑扑”的声音，凉水落地时的声音比较清脆？ 【例21】为什么玻璃杯中放入多少不同的水后，用筷子敲杯子会发出不同的声音？ 【例13】声音的响度

21、决定于 ( )A发声体振动频率 B离发声体的距离C发声体振动的振幅 D发声体种类【例22】我们在室内就能辨别出室外是哪几位同学在谈话，是因为（ ）A每个人说话的音调不同 B. 每个人说话的响度不同C每个人说话的音色不同 D以上都不对【例23】男同学的歌声可以传得很远，而女同学唱歌的声音可以很高，这分别说明了他们唱歌时发出的声音有什么不同？为什么会不同？五、噪音及减弱噪音的途径1噪音及其来源由于角度不同，所指噪音的含义也不同。从环境保护的角度来说，凡是妨碍人们工作、学习和生活的声音，以及对人们要听的声音起干扰作用的声音，都属于噪音。在某些情况下，乐音也会令人厌烦，成为污染环境的噪音。【例24】有

22、人说“噪音是不好听的声音，好听的音乐节目不是噪音。”这种说法是否正确？【例25】如果把一个无规则、杂乱无章的噪音输入示波器，将显示出什么图形？2噪音的等级和危害根据人的感觉，通常把声音分为两类，乐音和噪音。好听悦耳的声音叫做乐音。乐音是由周期性振动的声源发出来的。嘈杂刺耳的声音叫做噪音。噪音是由做无规则的非周期性振动产生的。噪音的等级由声强级的单位分贝数表示大小。L =10 lg(I/I0)实际生活中，人们刚刚能够听见的声音，声强为1皮瓦/m3，即10-6瓦/m3；0分贝是人们刚刚能听到的最弱声听觉下限。科学家经过实验，测定了常用家用电器所产生的噪音大小。其中电视机、录音机所产生的噪音可达60

23、至80分贝，洗衣机为42至70分贝，电冰箱为34至50分贝。另外，高声说话产生的噪音可以达到70分贝。国家规定的城市区域噪声等级标准地区白天/dB夜间/dB特别需要安静的地区4535一般居民区、文教区5040居民、商业混合区5545市中心商业区、街道工厂附近6050工业区6555交通干线两侧7055【例26】 家庭噪音对我们的生活有哪些影响？3噪音的控制控制噪音、减弱噪音的最终目标是降低人耳处的声音响度。控制、减弱噪音有三条途径：在声源处减弱，在传播过程中减弱，在人耳处减弱。【例27】为了保证工作和学习，应控制噪音不超过（ ）A90分贝 B70分贝 C50分贝 D30分贝【例28】下列说法中错

24、误的是（ ）A0分贝是人们的听觉下限 B30至40分贝是较理想的安静环境C在马路住宅间植树可以减小噪音 D越使劲拨动琴弦，琴的音调越高【例29】 某居民区附近新建了一个纺织厂。机器的噪音打破了小区昔日的宁静，干扰了居民的休息。另一方面，这个纺织厂也解决了一部分下岗职工的就业问题。这个矛盾怎样解决?式中的I0是声强的基准值，为10-6瓦/m3。4噪音的危害噪声属于感觉危害，是一种严重的污染，对人体健康的影响和危害主要有下面几点：（1）影响听力。对听力的损伤程度与噪音强度和再环境中暴露的时间有关。在85分贝以上的噪音环境中，出现噪声性耳聋的发病率高达5%；连续听摩托车声8小时后就会听力受损。（2）

25、影响学习工作，干扰睡眠。噪音达到100到200分贝时，几乎每个人都会从睡梦中醒来。（3）影响心血管功能和内分泌系统。主要表现在心动过速、心律不齐、血压过高。地区的噪音每上升一分贝，该地区的高血压发病率就增加3%。（4）危害中枢神精系统。在强噪声环境中，会出现头痛、耳鸣多梦、记忆力减退、全身无力等症状。严重影响人的神精系统，使人暴躁，易怒。（5）影响儿童的智力发展。在噪音环境下的儿童的智力比在安静环境下的儿童低20%。六、声的利用1声与信息声和声音是相近、但不同的两个概念。声的概念比较广，包括声音、超声、次声等；声音的概念比较窄，仅指人耳能感觉到的那部分声。信息是有用的消息。我们说话时，将自己需

26、要表达的信息加在声音上告诉对方，对方则根据声音获取你传达的信息。我们周围的世界有大量信息，它们大多加在光波和声波上，人类通过自己的眼睛和耳朵获取这些信息。【例30】 蝙蝠是怎样发现在空中飞行昆虫的？2声与能量声音具有能量，我们常说的“震耳欲聋”，讲的就是我们接收到声音的能量过大时所出现的现象。声波在传递振动的同时也传递能量。把一张纸条放在嘴的前方，可以看到在说话的时候，从嘴里喷出的气吹动纸条前后晃动。对着火焰敲橡皮膜，由于膜的振动，压缩空气产生声波。声波传递空气的振动和挤压，靠空气的振动可以将烛焰吹灭。地震是由地下深处岩石破裂或者错动引起的，岩石变动的区域称为震源。震源把长期积累起来的能量急剧

27、释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，引起地面的房摇地动。地震波是有能量的，用能量接收器可以测出地震波来自哪个方向，以及所引起振动的强弱，从而判断出震中的位置和震动的大小。【例31】 如何测出地震及其强弱？ 3超声波和次声波超声波是频率比较高，人类无法听到的一种声波。超声波也沿直线传播。与电磁波不同，超声波在水中也能够传播。人们利用超声波的特性，制造了检查人内脏器官的“B型超声波诊断仪”、探测海洋深度的“声纳”、清洗杂质和消毒的超声波清洗机、治疗疾病的超声波治疗仪次声波又称亚声波，它是一种频率低于20赫兹的声波。现在人们已经知道的次声源有：火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、

28、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动等。利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸等。【例32】为什么可以用超声波清洗精细机械？3声纳人们利用声波传递能量的性质，制作了很多仪器、工具。声纳就是其中的一种。声呐(SONAR)是英文“声音导航与测距”的缩写。人们用它测量水中物体位置的仪器，主要部件为发声器和接收器。测量物体位置时，发声器发出超声波；向前传播的超声波没有遇到障碍物会“一去不复返”，遇到障碍物会发生反射返回被接收器接收。通过超声波是否返回、何时返回，便可以知道前方是否有障碍物以及障碍物的位置。【例33】为什么可以用声呐探测海的深度？【例34】我国东汉时期的科学家张衡，在公元132年发明了世界上第一架地震仪侯风地动仪，用于探测地震的强度和位置。说明侯风地震仪的工作原理。【例35】 从捕鱼指挥船向某一个方向，定向发出超声波，经过1.5s接收到鱼群的反射波。求鱼群距捕鱼船多远 ？（声音在水中的传播速度为1531m/s）【例36】 超声波是怎样诊断人体内器官是否有问题的？【例37】为什么利用“B超”可以准确的获得人体内部疾病的信息？【题38】 用雷达可以发现数百千m外的敌机，用红外线望远镜可以在夜幕中发现隐蔽的敌人，用卫星遥感技术可以在数小时内把地球表面整个地扫描一遍。为什么在水中不能使用雷达，而必须使用声纳？21