翻新时间:2023-08-27
声现象及其应用
关于声现象我们接触得很多但却了解得很少,我们的祖先在建筑和科研中都广泛应用了声学技术,如天坛的回音壁、三音石等,都是声学知识应用的杰出典范。现代的建筑如礼堂、音乐厅的设计中,也都要考虑到声学效果,海军用声学技术──声纳来测量海深,探测敌舰等等。而人们赖以欣赏音乐的乐器、音响设备,更是集中体现了人类对声现象的研究成果和与电子技术的巧妙结合。
1、什么是声音:
人耳能感觉到的声振动叫做声音。声音是由物体振动发生的。声音的传播需要介质。真空中不能传声。声音的高低叫做音调。它是由声源振动的频率决定的。由此可知,人耳能否听到声音是由四个因素决定的,⑴
要有声源振动。⑵
要有传声的介质,固体、液体、气体都能传声。住楼房的同学有这样的体验,一楼居民在室内说话,五层的住户是不易听到的,但一楼的人轻轻敲击暖气管道,声音就沿铁管传播出去,各层的住户都听得很真切。工厂中,车间会很嘈杂,师傅要想听到机器发生微小故障时发出的异常声音是很困难的,他往往用一根改锥,一头拄在机器壳上,另一端贴紧自己的耳朵,就能听清机器内部的响动。⑶
声音的传播有一定距离,距离声源太远,就无法听到了。在安静平坦的草原上,人们可以轻易听到10公里以外拖拉机发动机的声音,但在城市里,相距几百米就听不见了。一方面是地面建筑物把声音散射了,另一方面环境噪音太强。⑷
人耳听到声音的频率为20赫兹至20000赫兹,超出这个频率范围就听不到了。
2、超声波和次声波:
频率低于20赫兹的声波,叫做次声波,人耳无法感受,但鲸鱼、海豚之类的海生动物可以感受到,大洋彼岸的风暴、地震和海啸引起的次声波,数千公里外鲸鱼能感知,并作出反应。频率超过20000赫兹的波叫超声波,超声波人耳感受不到,但蚊子、蝙蝠、猫、狗和家畜能听到。西方人用一种叫做犬笛的口哨来呼唤爱犬。犬笛吹出的是超声波,周围的行人茫然无所知,而小狗已经按照犬笛中传出的口令行动了。
声音的反射和障碍物的线度(长短粗细)有关,频率越低的声音,波长越长,需要的发生反射的障碍物线度就越大。一堵大墙可以反射我们的喊声,但一根电线杆子就不能反射我们发出的声音。蝙蝠发出一阵阵的超声波,波长极短,即使一根铁丝,一只蚊虫也能形成反射,这使蝙蝠能进行定位,躲开铁丝,捕捉蚊虫。
3、频响范围:
人听觉的声音频率范围是20~20000赫兹,这使人能欣赏各种乐器发出的优美声音。但人的声带发声范围却很窄,男低音不低于100赫兹,女高音不高于1100赫兹。音响设备通常只能放大80赫到10000赫兹的声音。好的音响声设备的频响范围可以达到40~16000赫兹。录音机、扩音机必须能够把一个东西中各种频率的声音均衡放大,否则,听起来就跟原来的声音不一样了,比如,低音部分被减弱了,而高音部分得到了很大的增强,人听着乐曲声音就不丰满了或者跟原来不一样了,这就是失真。
4、共鸣:
乐器或喇叭发出的声音要经过音箱的作用,才能得到增强,这是音箱的共鸣作用。比如二胡是由蒙着蛇皮的“木筒”构成共鸣箱的,小提琴音箱的形状和材质决定了小提琴演奏声音的音色丰富悦耳。一般来说,发生共鸣的声音频率和共鸣箱的大小有关系。共鸣箱越大,共鸣的低音越丰富,而共鸣箱越小,声音就越尖,越干巴。小半导体收音机的音色不优美,关键在于共鸣箱太小。
5、声音的反射:
回声是由于声音反射形成的。人听到回声的条件是发声与回声间隔0.1秒,这样人耳才能区别出来。也就是声源与反射面必须相距17米以上。
反射可以多次发生,这就是天坛三音石的建筑原理。在礼堂时,反射的声音,特别是多次反射的回荡声音会使声音混浊不清。为了克服反射的影响,建筑师们用吸音材料来装饰墙表面或者把墙表面做得凹凸不平。
反之,为了使观众能更好地欣赏音乐,在音乐厅舞台的上空5米左右高处装设了许多反射板,乐队演奏的声音就能更好反射到观众席上。
6、声纳的应用价值:
现代科学技术的发展使人们掌握了许多尖端、先进的探测技术。如雷达,可以发现数百公里外的敌机;红外线望远镜可以在夜幕中发现隐蔽的敌人;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;射电天文望远镜可以观察到遥远的宇宙空间。但是为什么在水中却不采用这些先进技术而仍用落后的声纳呢?
原来,海水能吸引电磁波,雷达用不上了。海水吸热能力太强,红外线技术无用武之地;水的透光能力差,而吸收光的能力却很浓,光学观察设备如望远镜也使不上了。特别是深海中一片漆黑,什么也看不见。探照灯又会暴露自己。
而海水的传声能力却比在空气中强得多。声纳技术就应运而生了。声纳机发出一束束不同频率的声音信号,再用特殊设备接受反射信号加以分析,这样就如同安上了蝙蝠的耳朵,周围的情况也就一“目”了然了。
超声雷达还可以探测云层。地面设备向云层发射一束束超声波,根据反射时间可以计算出云层高度。再分析回声的频率变化,根据多普勒效应的原理,可以测出云层在空中漂移的速度。因此,声纳技术在它的特殊领域仍占着不可取代的地位。
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