声音振动传播

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介绍

当任何物质振动并在介质中传播时就会产生声音，形成声波。声音被定义为一种能量形式，也是人体的重要感官。有些振动清晰可见，有些则不可见。放置在振动物体上的物体扰乱了粒子介质中粒子的平衡状态，振动不断地从一个粒子传递到另一个粒子。振动被定义为弹性体粒子或介质的周期性来回运动。声音是一系列压力波，通过可压缩介质传播。

什么是声波？

声音表现为振动，它有助于作为声波在诸如固体、液体或气体之类的传输介质中传播。声波被称为纵波 (Errico et al. 2020)。声波是由物体的振动产生的，并产生压力波，例如手机铃声。

图1：声波

压力波扰乱了周围介质中的粒子，这些粒子经常扰乱其他粒子。扰动模式以某种波浪模式向外移动，就像海洋或大海一样 (Kapoor et al. 2021)。声波通过介质向不同方向传递声能，并且离声源越远，强度越弱。

声波的特性

声波主要具有五个特性，包括“振幅”、“频率”、“速度”、“波长”和“时间”。

波长

声波最基本的特性是波长。声音包含一个纵波，当它们穿过特定介质时，由疏密相间构成 (Xu et al. 2020)。一个波重复之前传播的距离就是波长。

速度

波的速度指的是传播速度。它被定义为波在一秒钟内传播的米/秒距离。

图2：声音的传播

振幅

振幅指的是波的大小。声波的振幅或声音的传播更为精确。它被解释为当声波穿过介质时，粒子位移的最大扰动。

频率

频率指的是声波的数量，每秒产生的声音数量。低频声音的波较少，而高频声音的波较多 (Raghuvanshi & Snyder, 2018)。声频以赫兹 (HZ) 计算，不依赖于声音传播的介质。

周期

周期与频率相反。它是产生一个完整的周期或波所需的时间。产生声音的振动体的每次振动都类似于波。

声速的传播

声音的传播指的是声音的传播。声音通常是由介质粒子的“往复”运动传播的。当任何物体振动时，周围介质中的粒子就会振动 (Curthoys et al. 2019)。声音需要介质才能传播。与振动物体接触的粒子首先从平衡位置发生位移。

图3：钟罩实验演示声音传播

声音需要像钢、水或空气这样的物质介质才能传播。声音不能穿过真空，这可以通过钟罩实验来证明。考虑钟罩实验，其中使用了密闭的玻璃罐和电铃。电铃悬挂在罐子里面。从上图可以看出，罐子连接到真空泵 (Brainkart, 2022)。如果电铃响了，人们可以听到铃声。罐子里的空气逐渐被抽出，当玻璃罐从真空泵上移开时，声音会越来越微弱。如果空气完全从玻璃罐中抽出，声音将无法听到。

影响声速的因素

声速取决于它传播的介质的弹性和密度。与气体相比，声音在液体中传播得更快 (Şahinoğlu & Rafighi, 2020)。它在固体中的传播速度比在其他两种介质中更快。

图4：振动物体发出的声音

某些因素会导致声音在气体中的传播速度变慢。影响气体中声速的因素包括压力、温度、气体密度、湿度、振幅、风和声波频率的变化。

介质	声波速度（米/秒）
干燥空气	349
水	1437
玻璃	4540
铝	6320
木材	3850

表1：不同介质中的声速

结论

声音是一种由振动物体产生的能量。当振动物体使其周围的介质振动时，就会产生声波。在物理学中，波的运动通常被称为传播。传播介质需要介质具有弹性、无摩擦且具有惯性。介质的温度和密度会影响声音的传播。波在其在固体介质中传播的过程中可能会被“反射”、“折射”或“被介质衰减”。

常见问题

Q1. 声波的类型有哪些？

声波基本上分为三类：机械波、纵波和压力波。低于20Hz的波被称为次声波，高于20000Hz的频率被称为超声波。

Q2. 什么能量被称为声振动？

声能是当一种力（压力或声音）使物质或物体振动时产生的结果。能量以波的形式通过该物体传播。这些形式的声波被称为动能机械能。

Q3. 声音可以通过空气传播吗？

声音通过空气或不同的介质以纵波的形式传播。纵波中的声音具有机械振动，其波沿波的传播方向发生。

Q4. 为什么声音在固体中的传播速度最快？

声音在固体介质中的传播速度最快，因为分子更靠近在一起。这使得声波能够更快地穿过它。

参考文献

期刊

Curthoys, I. S., Grant, J. W., Pastras, C. J., Brown, D. J., Burgess, A. M., Brichta, A. M., & Lim, R. (2019). A review of mechanical and synaptic processes in otolith transduction of sound and vibration for clinical VEMP testing. Journal of Neurophysiology, 122(1), 259-276. Retrieved from: https://journals.physiology.org/doi/abs/10.1152/jn.00031.2019

Errico, F., Franco, F., De Rosa, S., Petrone, G., & Ichchou, M. (2020). Aeroelastic effects on wave propagation and sound transmission of plates and shells. AIAA Journal, 58(5), 2269-2275. Retrieved from: https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J058722

Kapoor, R., Kloet, N., Gardi, A., Mohamed, A., & Sabatini, R. (2021). Sound propagation modelling for manned and unmanned aircraft noise assessment and mitigation: A review. Atmosphere, 12(11), 1424. Retrieved from: https://www.mdpi.com/2073-4433/12/11/1424

Raghuvanshi, N., & Snyder, J. (2018). Parametric directional coding for precomputed sound propagation. ACM Transactions on Graphics (TOG), 37(4), 1-14. Retrieved from: https://dl.acm.org

Şahinoğlu, A., & Rafighi, M. (2020). Investigation of vibration, sound intensity, machine current and surface roughness values of AISI 4140 during machining on the lathe. Arabian Journal for Science and Engineering, 45(2), 765-778. Retrieved from: https://link.springer.com/article/10.1007/s13369-019-04124-x

Xu, Z., He, W., Xin, F., & Lu, T. J. (2020). Sound propagation in porous materials containing rough tubes. Physics of Fluids, 32(9), 093604. Retrieved from: https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0017710

网站

Brainkart (2022). 关于声波的传播。检索于：https://www.brainkart.com/article/Propagation-of-sound-waves_39935/ [检索日期：2022年6月17日]

Geeksforgeeks (2022). 关于振动物体发出的声音。检索于：https://www.geeksforgeeks.org/sound-produced-by-a-vibrating-body/ [检索日期：2022年6月17日]

Sciencelearn (2022). 关于声音——可视化声波。检索于：https://www.sciencelearn.org.nz/resources/2814-sound-visualising-sound-waves [检索日期：2022年6月17日]