已关闭
声能是能量的一种表现形式,其实质是物体振动后,通过传播媒介并以波的形式发生的机械能的转移和转化,反过来,其他能量的转移和转化也可以还原成机械能而产生声音.变化是可以逆向的.敲击音叉,采集声波波形图.
试验发现：轻敲音叉,音叉振幅小,波形图的幅度小,这时音叉发出的声音也小；重敲音叉,音叉的振幅大,波形图的幅度大,这时音叉发出的声音也大.
说明：响度跟音叉振动的振幅有关.振幅越大,响度越大；振幅越小,响度越小.按频率分类,频率低于20Hz的声波称为次声波；频率20Hz~20kHz的声波称为可听波；频率20kHz~1GHz的声波称为超声波；频率大于1GHz的声波称为特超声或微波超声.
即使没有其他声源体的作用,空气粒子总是在做无规则的震荡,或者说它们总是在骚动,它们激发起微弱的“白噪声”.绝对静寂的大气空间是不存在的.所谓背景噪声还包括自然界或人类生活环境里许多声源体杂乱的声音,对于言语交际来说它们没有信息价值.居室四壁或陡峭的山坡还有回声效应,噪声被放大、被增强了.言语声和它的滞后的回声叠加在一起,变成复杂的回响声.电声仪器设备里也都有白噪声.那种没有通信价值的噪声很强烈的时候人们会心烦意乱.有意思的是,在噪声极小的消声室待久了,人会感到不安宁.音乐中恰当使用沙锤之类的噪声带来的是艺术欣赏价值.
古时还有一个有趣的故事,说的就是人们如何巧妙地消除共振的.唐朝时候,洛阳某寺一僧人房中挂着的一件乐器,经常莫名其妙地自动鸣响,僧人因此惊恐成疾,四处求治无效.他有一个朋友是朝中管音乐的官员,闻讯特去看望他.这时正好听见寺里敲钟声,那件乐器又随之作响.于是朋友说：你的病我可以治好,因为我找到你的病根了.只见朋友找到一把铁锉,在乐器上锉磨几下,乐器便再也不会自动作响了.朋友解释说这件乐器与寺院里的钟声的共振频率相合,于是敲钟时乐器也就会相应地鸣响,现在把乐器稍微锉去一点,也就改变了它的固有振动频率,它就不再能和寺里的钟声共鸣了.僧人恍然大悟,病也就随着痊愈了.
大街上的行人、车辆的喧闹声、机器的隆隆声——这些连绵不断的噪声不仅影响人们正常生活,还会损害人的听力.于是人们发明了一种消声器,它是由开有许多小孔的孔板和空腔所构成,当传来的噪声频率与消声器的固有频率相同时,就会跟小孔内空气柱产生剧烈共振.这样,相当一部分噪声能在共振时被“吞吃”掉,而且还能够转变为热能来进行使用.
“声源”在空气中振动时,一会儿压缩空气,使其变得“稠密”；一会儿空气膨胀,变得“稀疏”,形成一系列疏、密变化的波,将振动能量传送出去.这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波,称为“纵波”.
我们如果对分子运动论很熟悉,就会知道,既然我们研究的介质分子是静止的、均匀分布的,那么,对于纵波来说,当振子向前运动时,它将占据前方原来均匀分布介质分子的空间,把原来的介质分子压缩在一个小空间中,形成一个密部.密部的分子之间的距离变小,呈现的分子力是斥力.斥力使分子向周围作离心运动.
离心运动的结果,使原来是密部的小空间变成疏部,而周围的空间变成新的密部.那么,宏观地看,相当于原来密部变成疏部,而且密部传播出去.那么,新的疏部也传播出去.不过要注意,声波虽然一般是纵波,但在固体中传播时,也可以同时有纵波及横波,横波速度约为纵波速度的50%－60%.
在空气中的声波是纵波,原因是气体及相当多的液体（合称流体）不能承受切力,因此声波在流体中传播时不可能为横波；但固体不仅可承受压（张）应力,也可以承受切应力,因此在固体中可以同时有纵波及横波.空气粒子振动的方式跟声源体振动的方式一致,当声波到达人的耳鼓的时候就引起耳鼓同样方式的振动.驱动耳鼓振动的能量来自声源体,它就是普通的机械能.
不同的声音就是不同的振动方式,它们能够起区别不同信息的作用.人耳能够分辨风声、雨声和不同人的声音,也能分辨各种言语声,它们都是来自声源体的不同信息波.
某些动物能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去,利用折回的声音来定向,这种空间定向的方法,称为回声定位.如“雷达飞兽”蝙蝠能在完全黑暗中,以极快的速度精确地飞翔,从不会同前方的物体相撞.如将它的耳蒙上,并把嘴堵上,则失去避免与物体相撞的本领.经高频脉冲检测装置测量后,证实蝙蝠在飞行时,喉内产生并能从通过口腔发出人耳听不到的超声波脉冲.
人类至多能听到频率为20千赫的声音,而有的蝙蝠能发出和听到100千赫的声音.当遇到食物或障碍物时,脉冲波会反射回来,蝙蝠用两耳接受物体的反射波,并据此确定该物体的位置,并可从两耳分别接受到回波间的差别,来辨别物体的远近、形状及性质；物体的大小则由回波中的波长区别出来.
大部分蝙蝠能用舌头颤动发音,有些则发出尖的鸣叫声,还有一些能由鼻孔透出声音.它们都有助于蝙蝠确定回波的方向,来决定自己要前进,还是转弯.蝙蝠在空中能利用超声波来“导航”,就能迅速准确捕捉飞虫.此外,某些海洋哺乳类能在水下发出频带很宽的声波,甚至高达30万赫.如齿鲸、海豚,能借助于附近陆地对声音的反射,用回声定位来测定方向,得知物体或海岸的位置.某些海豹、海狮也能发出水下超声波.
利用波在传播过程中有反射现象的原理探测物体方位和距离的方式叫“回声定位”.动物的“回声定位”是指动物通过发射声波,利用从物体反射回来的回波进行空间定向的方式,它有捕捉猎物和回避物体两种作用.
根据研究已知动物界小蝙蝠亚目的几乎所有种类、大蝙蝠亚目的果蝠属、鲸目的齿鲸类、鳍脚目的海豹和海狮、食虫目的马岛猬科、鼩鼱科的短尾鼩、南美的油鸟、东南亚的金丝燕及有些鱼类都具有回声定位的本领.它们的体内皆有完成回声定位的天然声纳系统.声纳主要由“声波发射器”、“回声接收机”和“距离指示器”构成.
声能的转化既有物理变化,也有化学变化,因为这就是能量的转化.媒介在声能的作用下会产生一系列效应,如力学效应、发热发光效应、化学效应、放电效应和生物学效应等.声音的传播必须具备三要素：声源,传播媒介和接受器.
声源是产生振动的物体；传播媒介是能量流动的渠道；接受器是感受声音的装置.比如在弹奏乐器时,乐器是声源,空气是传播媒介,耳朵是感受声音的接受装置.声能的作用范围形成了声场.声音的传递有能量损耗,也叫被吸收,当距离比较远时,我们就听不到声音了,而且声音的强弱变化与传播距离的平方成正比 (平方反比定律).
声波在媒介中传播时,如果没有媒介来传播,就不会产生出声音.当声波传播到周围界面时,会引起其他固体等的振动.海豚声呐的灵敏度很高,能发现几米以外直径0．2mm的金属丝和直径lmm的尼龙绳,能区别开只相差200卜s时间的两个信号,能发现几百米外的鱼群,能遮住眼睛在插满竹竿的水池子中灵活迅速地穿行而不会碰到竹竿；海豚声呐的“目标识别”能力很强,不但能识别不同的鱼类,区分开黄铜、铝、电木、塑料等不同的物质材料,还能区分开自己发声的回波和人们录下它的声音而重放的声波；海豚声呐的抗干扰能力也是惊人的,如果有噪声干扰,它会提高叫声的强度盖过噪声,以使自己的判断不受影响；而且,海豚声呐还具有感情表达能力,已经证实海豚是一种有“语言”的动物,它们的“交谈”正是通过其声呐系统.
尤其是仅存于世的四种淡水豚中最珍贵的一种－我国长江中下游的白鳍豚,它的声呐系统“分工”明确,有为定位用的,有为通讯用的,有为报,警用的,并有通过调频来调制位相的特殊功能.声音的强弱单位是“分贝”,数值越大,振幅就越大,声音就越大,大到一定程度时就变成了噪音.低到一顶程度时,我们又感受不到声音了,但它还是存在的.
不同的声音可以代数叠加.超声波是频率高于20000赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等.在医,学、军,事、工业、农业上有很多的应用.
超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名.在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.
超声和可闻声本质上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动模式,通常以纵波的方式在弹性介质内会传播,是一种能量的传播形式,其不同点是超声波频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性,目前腹部超声成象所用的频率范围在 2∽5兆Hz之间,常用为3∽3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz,1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次,可闻波的频率在16－20,000HZ 之间）.
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律没有本质上的区别.但是超声波的波长很短,只有几厘米,甚至千分之几毫米.与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短,通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍,因此超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,该特性就越显著.功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功.声波功率就是表示声波做功快慢的物理量.
在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大.由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的.空化作用──当超声波在介质的传播过程中,存在一个正负压强的交变周期,在正压相位时,超声波对介质分子挤压,改变介质原来的密度,使其增大；在负压相位时,使介质分子稀疏,进一步离散,介质的密度减小,当用只够大振幅的超声波作用于液体介质时,介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离,液体介质就会发生断裂,形成微泡.这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强.微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,起到了很好的搅拌作用,从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化,且加速溶质的溶解,加速化学反应.这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用.
频率高于2×10千赫兹的声波.研究超声波的产生、传播、接收,以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学.产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等.
超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散.当超声波流体介质中形成驻波时,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处,在空间形成周期性的堆积.超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应.例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色.这些现象的发生总与空化作用相伴随.超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程.
超声波对光化学和电化学过程也有明显影响.各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后,特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收,这表明空化作用使分子结构发生了改变.物体振动发出的声波向四周传播,声波能量逐渐扩散开来.能量的扩散使得单位面积上所存在的能量减小,听到的声音就变得微弱.单位面积上的声波能量随着声源距离的平方而递减.
声波在固体介质中传播时,由于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦,从而使一部分声能转变为热能;同时,由于介质的热传导,介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换,从而导致声能的损耗,这就是介质的吸收现象.介质的这种衰减称为吸收衰减.通常认为,吸收衰减与声波频率的一次方、频率的平方成正比.
当介质中存在颗粒状结构(如液体中的悬浮粒子、气泡,固体中的颗粒状结构、缺陷、搀杂物等)而导致的声波的衰减称散射衰减.通常认为当颗粒的尺寸远小于波长时,散射衰减与频率的四次方成正比;当颗粒尺寸与波长相近时,散射衰减与频率的平方成正比.噪音污染按声源的机械特点可分为：气体扰动产生的噪音、固体振动产生的噪音、液体撞击产生的噪声以及电磁作用产生的电磁噪声.噪声按声音的频率可分为：1000Hz的高频噪声.
噪音按时间变化的属性可分为：稳态噪音、非稳态噪音、起伏噪音、间歇噪声以及脉冲噪音等.声在传播中的能量是随着距离的增加而衰减的,因此使噪声源远离需要安静的地方,可以达到降噪的目的.声的辐射一般有指向性,处在与声源距离相同而方向不同的地方,接收到的声强度也就不同.
不过多数声源以低频辐射噪声时,指向性很差；随着频率的增加,指向性就增强.应用吸声材料和吸声结构,将传播中的噪声声能转变为热能等.当入射声能被完全反射时, &alpHa;=0,表示无吸声作用；当入射声波完全没有被反射时, α=1,表示完全被吸收.
一般材料或结构的吸声系数 α=0~1, α值越大,表示吸声能越好,它是目前表征吸声性能最常用的参数.吸声是声波撞击到材料表面后能量损失的现象,吸声可以降低室内声压级.描述吸声的指标是吸声系数a,代表被材料吸收的声能与入射声能的比值.
理论上,如果某种材料完全反射声音,那么它的a=0；如果某种材料将入射声能全部吸收,那么它的a=1.事实上,所有材料的a介于0和1之间,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收. 不同频率上会有不同的吸声系数.人们使用吸声系数频率特性曲线描述材料在不同频率上的吸声性能.按照ISO标准和国家标准,吸声测试报告中吸声系数的频率范围是100-5KHz.将 100-5KHz的吸声系数取平均得到的数值是平均吸声系数,平均吸声系数反映了材料总体的吸声性能.
在工程中常使用降噪系数NRC粗略地评价在语言频率范围内的吸声性能,这一数值是材料在250、500、1K、2K四个频率的吸声系数的算术平均值,四舍五入取整到0.05.一般认为NRC小于0.2的材料是反射材料,NRC大于等于0.2的材料才被认为是吸声材料.当需要吸收大量声能降低室内混响及噪声时,常常需要使用高吸声系数的材料.如离心玻璃棉、岩棉等属于高NRC吸声材料,5cm厚的24kg/m3的离心玻璃棉的NRC可达到0.95.
声级计一般由电容式传声器、前置放大器、噪音计图片衰减器、放大器、频率计网络以及有效值指示表头等组成.声级计的工作原理是：由传声器将声音转换成电信号,再由前置放大器变换阻抗,使传声器与衰减器匹配.放大器将输出信号加到网络,对信号进行频率计权(或外接滤波器),然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值,送到有效值检波器.
