声波分类

声波

一、声波概述

我们周围充满各种各样的声音：交谈声、音乐店、车辆运行声、自然界风雨声等等。从物理学角度讲，声音是由物体振动产生的一种波，并通过媒质（一般是空气）传播而作用于我们的耳鼓，使我们能够感知。声音的传播需要媒质，在真空中声波不能传播。声音的高低叫做音调，它是由声源振动的频率决定的，由于物体的振动有快有慢，所以发出的声音也就有高有低，一般来说，正常人能够听到频率为20Hz到20000Hz的声波。

声音作为一种波，它具有波的所有特性，包括反射、干涉、衍射等。我们应该会判断一些常见声现象的实质，如空谷回声、夏日雷声轰鸣不绝等属于声波的反射；“隔墙有耳”或“闻其声不见其人”属于声波的衍射等。

二、超声波和次声波

（1）次声波

频率低于20赫兹的声波，叫做次声波。次声波的特点是频率低、波长长、穿透力极强，它可传播至极远处而能量衰减很小，10Hz以下的次声波可以跨山越洋，传播数千千米以远。对于次声波人耳无法感受到，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到，并作出反应。在自然界，次声波的自然发生源有狂风暴雨、雷鸣电闪、台风寒潮、龙卷冰雹、晴空湍流、地震海啸、陨石落地、极光放电、太阳磁爆及日全食等，频率一般都在0.1Hz以下。人为发生源包括飞机飞行、车辆高速行驶、机器飞速运转、打桩机喷气打桩、火箭发射、核爆炸等，它们所产生的频率一般在1Hz～15Hz。

由于次声波的频率与人体固有频率相吻合，所以它对人体健康的危害是很大的，一旦高强度次声波作用于人体，就会引起人体某些器官的强烈振动，甚至共振，使人产生头晕、耳鸣、恶心、失眠、神经错乱、四肢麻木、失去知觉等症状，严重的可致人于死地，现在次声波已被用作武器。

（2）超声波

频率超过20000赫兹的波叫超声波。超声波人耳感受不到，但很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官，如蚊子、蝙蝠、猫、狗和家畜就能听到超声波。西方人用一种叫做犬笛的口哨来呼唤爱犬，犬笛吹出的即是超声波。以昆虫为食的蝙蝠，视觉很差，飞行中不断发出超声波的脉冲，依靠昆虫身体的反射波来发现食物。海豚也有完善的“声纳”系统，使它能在混浊的水中准确地确定远处小鱼的位置。

超声波有两个特点：一个是能量大，一个是沿直线传播。它的应用就是按照这两个特点展开的。①如在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药力很难达到患病的部位．利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效。利用超声波的巨大能量还可以把人体内的结石击碎。②超声探测：超声波基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了，这种仪器即为声纳。声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度。根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹。人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样。平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变（如右图所示）。

三、噪声及噪声污染

随社会的发展，在我们生活的周围，噪声对环境的污染与大气、水质受污染一样，已逐渐成为一种危害人类环境的公害。

1、噪声的定义

简单地讲，噪声就是人们不需要的声音。它不仅包括杂乱无章、不协调的声音，而且也影响旁人工作、休息、睡眠、谈话和思考的音乐声音。因此，对噪声判断不仅仅是根据物理学上的定义，而且往往与人们所处的环境和主观感觉反映有关。

2、噪声的特点

噪声污染有以下几个特征：

（1）局限性。噪声传播的范围是局部性的。声源发出的噪声能量向周围传播，随着距离的增加及受建筑物的阻挡。噪声的强度很快被衰减。它只影响声音附近的人，如工厂噪声影响工厂周围的居民，交通噪声影响道路两旁的人，不象大气污染和水质污染影响到一个大的区域。

（2）瞬时性。噪声污染是瞬时性的。与其他污染源排污后污染物浓度长期残留积累起来不同，噪声源一旦停止发声，噪声立即消除，没有积累性。

（3）感觉性。噪声对人的危害取决于受害人的生理和心理状态。同样响度的噪声对不同的人可能反映不一样，如夜间噪声对睡眠的影响，青年人与老年人，健康人与病人反映是不一致的。因此，制订噪声标准时要根据不同时间、不同地区、不同要求来确定，如疗养院、医院，学校附近，对噪声的限制应较为严格。

3、噪声的来源及危害：

噪声的产生来源于物体的振动，一类为机械振动噪声，如电动机运转和机床开动时的噪声等，另外一类为气体动力噪声，如喷气式飞机的飞行、鼓风机气流所产生的噪声等。

城市环境噪声的主要来源是交通噪声。根据许多国家统计，交通噪声约为城市噪声的70%。随着交通运输事业的发展，交通噪声越来越严重，重型车辆噪声为82～85分贝。轻型车辆为82～85分贝。在我国交通噪声中鸣喇叭最为严重，约在90～110分贝之间。有些国家对汽车鸣喇叭严加控制，以减轻城市噪声。其他如工厂噪声、施工噪声、家庭噪声也普遍存在。噪声对人的影响极为广泛，它影响人们的正常生活、睡眠和休息，干扰工作和学习，甚至引起各种疾病。一般来说，在影响范围内，40分贝的连续噪声可使周围10%的人受到影响，70分贝即可影响周围50％的人，而突然噪声在40分贝时，可使周围10%睡眠的人惊醒。长期生活在85分贝以上的环境，会使听觉产生不同程度的影响甚至造成耳聋。噪声会引起烦恼，使人精力不易集中，影响工作效率和学习效果，造成记忆力衰退、疲劳、头痛和失眠并进一步产生高血压、心脏病等病症。

和其它环境标准一样，噪声标准也具有重要意义，它是控制噪声、保证环境条件的基本依据。由于噪声对人的影响相当复杂，噪声标准大量实验的统计结果；我国卫生部门和劳动部门制订了有关噪声标准。为保护工人听力，规定现有工矿企业的噪声不得超过90分贝，新建的工矿企业不得超过85分贝，噪声每增加3分贝，工作时间要减半，最高不得超过115分贝。

相关问题：

1．《墨子·备穴将》记载了一种探测地下声源方位的装置，在陶瓮口上紧绷皮革，埋入地下，每隔几尺埋上—个，伏在瓮口上谛听，即可确定敌人挖坑道的方位。这是利用了声音的现象。

A．反射 B．折射 C．衍射 D．共鸣

【参考答案】D

2．有一个方法可以用来快速确定闪电处至现察者之间的直线距离（如右图）：数出自观察到闪光起至听到雷声止的秒数n，然后用3除这个秒数，所得结果就是以千米为单位的闪电处至观察者之间的直线距离S。试证明这个方法。【参考答案】由于光速要远大于声音传播的速度，从雷电发生到人眼看到闪电，光传播的这段时间极短可以忽略，所以我们可以认为自观察到闪电起至听到雷声止即为声音传播的时间。

声音在这段时间内传播的距离

。

3．声波的频率范围是： Hz，超声波的频率是： Hz，由于超声波的频率比较高，所以它具有方向性好、穿透力的特点，现在人们将超声波用于医学上诊断疾病，还可以用于治疗疾病，这是因为

A 它能促使局部的血液和淋巴循环得到改善

B 刺激半透膜，增强通透性，加强人体的新陈代谢

C 引起人体内局部温度升高，具有扩张血管的作用

D 对人体的任何器官都可以使用而没有损害作用

【点评】这是应用物理与医学的结合而形成的一门新兴的专门学科——超声医学。超声疗法是物理疗法，具有无损害、无痛苦等优点，但是对于肝、生殖器官等敏感器官不宜使用。

【参考答案】20～20000Hz 大于20000Hz 强 A、B、C

4．海豚有完善的声纳系统，它们能在黑暗的海水中准确而快速地捕捉食物，避开敌害，远远优于现代的无线电定位系统。

（1）它利用了自身发出的

A 电磁波

B 红外线

C 次声波

D 超声波

（2）海豚的声纳远远优于无线电定位系统，其机理是海豚发出的波比无线电波

A 速度快，方向性好

B 频率高，抗干扰能力强

C 发射能量大，传播距离远

D 在水中能量衰减少

【参考答案】1．D 2．D

5．在海洋公园观看海豚表演时，可听到海豚发出欢快的尖叫声。然而在大海中，海豚却凭借接收它发出的超声回波捕捉鱼类，以及用超声信号与远处的同类联络，试分析这有什么好处？

【点评】本题主要是生物知识和物理知识的综合。涉及超声波及其反射等知识。

【参考答案】海豚这类水生动物在空气中所发声音能为人耳所听到，说明其声音频率低于2×104Hz，但在水中海豚却能发出频率高于2×104Hz 的超声信号，说明海豚具有不同的发声器官和接收超声的器官（前额）。在水中使用超声传递信号的优点在于：超声波在水中传播时衰减程度较小，可以传得远，便于与同类联络；而且波长较短，若频率的数量级为0.1MHz，在水中超声波波长的数量级为10－2m。这样，即使对于尺寸不大的鱼类，也不会产生明显的衍射而形成反射波，便于海豚侦测到猎物的位置，海豚具有这种得天独厚的超声测向、回声定位器官系统，这是不断自然选择、长期演化的结果。

6．噪声从物理角度来讲，噪声是声源作无规则、无周期振动而产生的声音；而从环

境保护角度来讲，一切有碍于人们生活、学习和工作的声音都属于噪声范畴。

噪声无处不在，噪声的强弱一般可以用噪声仪测定。噪声强弱的单位是分贝，符号为

dB。一般说来，噪声在40dB以下是宁静的环境；当噪声达70dB以上时，人就有强烈

的不舒适感；90dB以上的噪声，人们将难以忍受。

如何有效地抑制噪声是人们关心的问题。最近，日本开发出一种利用有源噪声控制器

消除汽车行驶在粗糙马路及颠簸路面上产生的35－45HZ的低频噪声的新方法，它可

以有效抑制传入汽车车厢内的噪声。

研究表明，传入汽车的噪声特别容易集中在汽车前方座位。利用话筒记录噪声，然后

利用有源噪声控制器将录取到的噪声的波形（如右图甲所示）转换成振动方向相反的

新噪声（如右图乙所示），再利用汽车内的有源音响，播放所转换的新噪声，就能抵

消原来的噪声了。

经测试，这种装置在实际应用中，至少能将车厢内的噪声降低10dB。

请阅读上述材料，并通过讨论回答下列问题：

（1）利用有源噪声控制器为什么能有效地抑制汽车车厢内的噪声？

（2）这项技术还有哪些实际的应用前景？

【参考答案】（1）根据波的叠加原理：两列振动方向相反的波叠加后，各质点的振

动减弱；当两列振幅相等、振动方向相反的波叠加时，各质点的合振动均为零。有

源噪声控制器就是利用这个原理达到抑制汽车车厢内的噪声的目的。

实际上利用汽车内的有源音响，播放所转换的振动方向相反的新噪声时，在时间上总有所滞后（如图中虚线波形所示），所以不能完全抑制噪声（同学如有兴趣，还可画出叠加后噪声的新波形）。

（2）这项技术还可用于抑制大型投影设备风扇噪声、传入救护车内的警报声，消除列车及喷气式飞机内部的噪声、降低大楼内部空调系统的噪声，当你需要安静时，甚至可以适当抑制从邻家传来的高音量音乐声等等。

7．噪声控制是保护环境的重要工作。一般降低噪声常用吸声处理，即在声传播途径上使用吸声隔音材料的装置，以减少工厂、交通噪声对环境的污染。当然在设计时要考虑经济、技术等诸多问题。

国家法律规定现有工厂噪声应降低到90分贝。现有一厂房，内部面积 800m2，未经处理时，平均吸声系数是0.05（即噪声每反射一次被吸收的能量与入射能量的比值），其总吸声面积为40m2，混响时间是4s（即声强度衰变到百万分之一，人耳已听不到声音所经历的时间），声压级为100分贝，这个厂房噪声较严重。如果进行吸声处理，情况如下：

（1）分析以上数据可以得出什么结论？对这间厂房的噪声控制计划，你可提供哪些原则性的意见？

（2）下左图所示是一种凹下公路的设计，下右图所示是这种公路降噪效果图，其中实线给出了路旁不同距离测得的噪声降低分贝数，虚线是理论计算值。公路下凹产生了怎样的效果？

（3）从上右图中要看到在距离15m处，实际测得的噪声降低分贝数比理论的低，分析出现这种情况的原因。

【参考答案】（1）增加声吸收有利于降低噪声，但要继续增加吸声面积。但每增加120m2吸声面积降低的分贝数越来越少，即收益低。要用声吸收降低噪声时，材料的吸声系数至少要为0.2，总降噪量不宜超过10dB，否则不经济。（2）图中阴影部分反映了公路下凹产生的效果，降噪可达10dB左右，可见公路下凹是简单有效的降低公路交通噪声的措施。

（3）这是因为在凹下公路两侧有反射的缘故。