声学基本概念
声音及声学基本概念
k
2
c
角頻率(Angular frequency) : 2f [rad/sec]
振幅(Amplitude ) : Pm
聲音基本概念, 11
聲壓
壓力 [Pa] 100 000 Pascal
聲音基本概念, 12
聲波類似水波 時間
聲壓
壓力 [Pa]
大氣壓力 100 000 Pascal
New York Mexico City
2u xt
由上述兩式可得波動方程式
2P t2
= C02
2P x2
聲音基本概念, 21
球面聲場聲波方程式
前面介紹的是聲音在平面聲場傳遞的方程式, 皆為 1-D.
推導至一般的三度空間聲場, 即球面聲場 (一般所謂的點音源). 方程式如下 所示:
運動方程式: 連續方程式: 波動方程式:
P = - 0
u t
80 60 40 20
0
波長(Wavelength)
Wavelength, [m]
聲音基本概念, 15
Speed of sound, c = 344 m/s, at 200C
Example: f=1000Hz, =0.34m f=10Hz, =34.4m
波長與頻率(Wavelength and Frequency)
聲音基本概念, 18
平面聲波方程式
運動方程式 (Motion equation):
P(x)
(0+)
P(x+dx)
dx 0 = 密度, = 密度變化 ,密度變化 可以忽略, 並設截面積A u = x 方向的速度
P(x+dx) 用一次的泰勒展開式趨近於 P(x)+
物理知识总结声学与物理学的关系
物理知识总结声学与物理学的关系声学是物理学的一个分支，研究的是声音产生、传播和接收的规律以及与物质相互作用的过程。
声学是物理学的重要组成部分，两者之间有着密切的关系。
一、声学的基本概念声学是研究声音的学科，涉及到声音的产生、传播和接收。
声音是由物体振动产生的机械波，通过介质的传播使人耳感知到声音。
声音的强弱、高低、音调等特征都可以用物理学的知识来解释和描述。
二、物理学与声学的关系1. 声音的传播过程声音传播是通过介质中的粒子之间的相互作用实现的，它遵循物质的振动和波动规律。
在传播中，声音会受到介质密度、弹性和温度的影响，而这些正是物理学所研究的内容。
物理学中的力学、波动论、热学等原理都可以用来解释和分析声音的传播过程。
2. 声音的频率与音调声音的频率决定了它的音调，频率越高声音越高。
频率与物体的振动速度有关，而物体的振动速度又与物理学中的振动规律有关。
因此，物理学的知识可以帮助我们理解为什么不同频率的声音具有不同的音调，并进一步研究声音的生成机制。
3. 声音的强度与音量声音的强度决定了它的音量，声音越大，强度越高。
声音的强度受到声源的振动幅度和传播距离的影响，这些因素同样可以通过物理学的知识来解释。
物理学中的能量守恒定律、声功率等原理可以帮助我们理解声音强度与音量之间的关系。
4. 声波的特性与波动理论声音是一种机械波，声波具有传播速度、波长、频率等特性。
物理学中的波动理论可以帮助我们理解声波的特性及其与其他波动现象的关系。
声波的干涉、衍射和共振等现象也可以通过物理学原理来解释和研究。
5. 超声与物理学应用超声是一种频率高于人耳听觉范围的声波，具有很多应用价值。
在医学、材料科学等领域，超声已经成为一种重要的研究工具和诊断手段。
超声的生成和探测原理涉及到物理学中的声学换能器、声谱分析等知识。
三、结语声学作为物理学的分支，与物理学有着密切的关系。
物理学的理论和方法在声学研究中发挥着重要作用，帮助我们理解声音的产生、传播和接收的规律。
物理学中的声学原理
物理学中的声学原理自古以来，人类一直在探索和研究声音的本质和原理。
而物理学中的声学原理便是对声音产生、传播和感知的背后机理的科学研究。
以下将从声音的基本概念、声音的产生和传播、声音的特性等几个方面来探讨声学原理。
一、声音的基本概念声音是一种可以被听到的机械波，是由物体的振动产生的。
当物体振动时，会引起周围的介质（通常是空气）被压缩和稀薄，形成一个波动。
这种在介质中以机械振动形式传播的波动就是声波。
声音在传播时，会向外扩散，以球形波前传递。
声音通常可以分为两种类型：纯音和复合音。
纯音是频率为一个值的单一波形式。
而复合音则由多个频率、振幅和相位不同的波形合成而成，例如我们在日常生活中听到的所有声音，例如说话声、音乐、器乐等等。
二、声音的产生和传播声音是由物体的振动产生的，一般来讲，产生声音的物体都具有弹性和质量。
当物体振动时，就会引起空气中的分子振动。
这种振动会将波动以压缩/稀薄的形式传递给周围的空气分子，这就是声音的产生和传播。
声音在传播时，需要经过空气的高压和低压区域。
这种高压和低压的变化，可以用声波的正弦曲线来描述。
声波的频率越高，压力也会变化得越快，这也就意味着声音变得越高。
而声波的振幅则代表声音的强度，振幅越大，声音就越大。
三、声音的特性声音有很多不同的特性，常见的声学参数包括频率、振幅、声速、声阻抗、谐波、噪声等。
其中，频率和振幅是声音最为基本的特性。
频率是指声波的振荡次数，单位是赫兹(Hz)，通常用来表示声音的高低音调。
一般来讲人类能够听到20Hz到20kHz的频率范围内的声音。
而振幅则代表着声音的强度和音量大小，通常使用分贝（dB）作为测量单位。
除此之外，声音还会受到物体的吸收和反射的影响。
当声波碰到一个物体时，一部分声波会被吸收，一部分则会反射回来，这也就是声音反射的原理。
反射的幅度和角度取决于物体的形状，因此不同的物体会对声音的反射产生不同的影响。
总之，声学原理是研究声音产生、传播和感知的一门重要的学科。
初中物理声学知识点的完整汇总
初中物理声学知识点的完整汇总声学是物理学中的一个分支，研究声音的传播、产生和接收的原理和现象。
在初中物理课程中，学生们需要学习一些基本的声学知识，下面将对初中物理声学知识点进行完整的汇总。
一、声音的特征1. 声音的产生：声音是由物体的振动或震动产生的，当物体振动时，空气分子也会随之振动，形成声波。
2. 声音的传播：声音通过介质传播，如空气、水等。
在空气中，声音以纵波的形式传播，也可以传播在固体或液体中。
3. 声音的性质：声音具有频率、振幅和响度。
- 频率：声音的频率决定了声音的音调，频率越高，音调越高。
频率以赫兹为单位表示。
- 振幅：声音的振幅决定了声音的音量，振幅越大，音量越大。
- 响度：声音的响度决定了声音的大小，响度越大，声音越大。
二、反射与回声1. 反射：当声音遇到障碍物时，会发生反射。
声音反射后会回到发出声音的地方，这个现象称为回声。
2. 回声的计算：根据回声的时间差和声音在空气中传播的速度（约为340米/秒），可以估算出声音反射的距离。
三、声音的吸收与传递1. 声音的吸收：声音在空气中传播时会被吸收，浓密的材料会吸收更多的声音能量。
2. 声音的传播：声音可以通过空气、固体和液体传播。
在不同的介质中，声音的传播速度是不同的。
四、共鸣与声音的共鸣腔1. 共鸣：当一个物体的振动频率和声音频率相同时，会共鸣，声音会更加清晰和响亮。
2. 声音的共鸣腔：共鸣腔指的是具有共鸣现象的空间或器物，如乐器的共鸣腔会增强特定频率的声音。
乐器的类型和形状会影响共鸣腔的共振频率。
五、声音的调制与解调1. 调制：通过改变载波信号的某些特征，将声音信号转换为能传输的信号。
2. 解调：通过还原接收到的信号，将它从传输信号中恢复出原来的声音信号。
六、声音与噪音1. 声音：声音通常是指有一定音调和音量的可听到的声波，它具有一定的有用性。
2. 噪音：噪音是指无规则振动产生的声音，它缺乏音调和节奏，通常会给人带来不适。
七、声音的应用1. 声波在通信中的应用：声波可用于声音的录制、广播和电话通信，使人们能够远距离传递声音信息。
声学的基本原理
声学的基本原理声学是研究声波的传播、产生和调制的学科。
声波是由物体振动产生的机械波，它通过介质传播，使人们能够感知到声音。
声学的研究对象包括声波的频率、幅度、速度、反射、折射等特性，并且涉及到声音的感知和应用。
声音的产生源于物体的振动。
当物体振动时，空气中的分子受到振动的作用，形成一个憋气的过程，通过相邻分子的相互作用，憋气的过程就会传递下去。
这种通过分子之间的相互作用而传递的能量就形成了声波。
声波分为机械波和电磁波两种，其中以机械波为主。
声速是声波传播的速度，它受到介质的密度和弹性系数的影响。
一般情况下，声速在气体、液体和固体中不同。
在空气中，声速大约是每秒343米；在水中，声速大约是每秒1500米；在固体中，声速可以达到几千米甚至几万米每秒。
声波的传播受到反射、折射和干涉等现象的影响。
当声波传播到一个边界时，一部分声波会被反射回来，形成回波，同时一部分声波会继续传播到新的介质中，并按照折射定律改变传播方向。
这种现象在声学中被广泛应用，例如声波的反射可用于测量距离和声纳系统，声波的折射可用于声学成像。
此外，声波还会受到不同波源的干涉影响，形成共鸣或干涉消除。
声音的频率决定了人们对声音的音调感知。
频率是指声波在单位时间内振动的次数，单位是赫兹（Hz）。
人能够听到的声音频率范围大约在20 Hz到20,000 Hz之间，低于20 Hz的声音称为次声，高于20,000 Hz的声音称为超声。
频率越低，声音越低沉；频率越高，声音越尖锐。
声音的幅度决定了人们对声音的音量感知。
幅度是指声波振动的振幅大小，单位是分贝（dB）。
人耳对声音的响度感知是对声压级的感知，声压级是声波振动引起的介质分子之间变化的压力差。
声波的幅度越大，声音的音量越大；幅度越小，声音的音量越小。
声学不仅仅关注声波的产生和传播过程，还涉及声音的感知和应用。
人耳是感知声音的主要器官，其结构复杂，包括外耳、中耳和内耳。
当声波进入外耳，经过中耳的共振放大，最终刺激内耳的听觉神经，产生声音的感知。
声学基础
声场中单位体积介质中声能，用D表示，单位为J/m3。
2.平均声能密度
声场中每一位置的声能密度随时间变化，取一个周期内的 平均值为平均声能密度 D 。
3. 声能密度计算公式
pe2 D 2 c
八、声强(*)
1.声强定义
单位时间通过垂直于声波传播方向的单位面积 的声能在一个振动周期内的平均值,用I表示。
振动方向
传播方向
力学原理：靠介质中的剪切应力传播振动。 存在介质: 固体
注：空气中只存在纵波。
三、声波种类 2. 按波振面分类 （1）概念
波振面：所有振动相位相同的点构成的面 （客观存在） 声 线：沿传播方向与波振面垂直或正交 的一系列直线（假想线）
波振面 声源 声线
三、声波种类
（2）声波按波振面分类 球面波：波振面为球面，点声源产生； 柱面波：波振面为柱面，线声源产生； 平面波：波振面为平面，平面声源产生； 注：当距离声源足够远时，所有声波均可
c c c E (纵波) (横波) (气体纵波)
其中：E —— 压伸（杨氏）弹性模量 G —— 切变弹性模量 B —— 体变弹性模量
G
B
ρ —— 介质质量密度
？问题
高空中空气密度与地面明显不同，那么， 高空与地面声速会有明显不同吗？
碳钢拉压弹性模量： E=2×1011帕(N/m2) 密度：7800kg/m3 钢材理论声速：5063m/s 空气的体变弹性模量：B＝1.42×105Pa 空气密度：1.29kg/m3 空气理论声速：332m/s
视为平面波。
四、声音的频率、波长、振幅
1.频率f： 单位Hz(1/秒)
人耳可听频率范围：20～20000Hz 次声波：低于20Hz 超声波：高于2000Hz
初中物理声学知识点总结
初中物理声学知识点总结声学是研究声音的产生、传播和接收规律的学科。
在初中物理中，声学是一个重要的部分，涉及了很多基本概念和知识点。
下面是关于初中物理声学的知识点总结：一、声音的产生与传播1.声波的产生：声波是由物体振动使空气分子产生振动而产生的，振动物体使周围的空气分子发生压缩和稀薄，形成长波和短波交替排列的声波。
2.声速：声音在其中一介质中传播的速度称为声速。
在空气中，声速大约是340米/秒。
声速的大小与介质的性质有关，与温度和压强有关。
3.声音的传播方式：声音可以通过固体、液体和气体传播。
在固体中传播的声音速度最大，液体次之，气体最小。
4.声音的反射：声音在遇到障碍物时会发生反射。
根据反射定律，入射角等于反射角。
5.声音的折射：声音在从一种介质传播到另一种介质时会发生折射。
根据折射定律，声速较大的介质中声波的传播方向向远离法线方向偏折。
二、声音的特性1.声音的音调：声音的音调由声波频率决定。
频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。
2.声音的响度：声音的响度由声波振幅决定。
振幅越大，声音越响亮；振幅越小，声音越低弱。
3.声音的纯度：声音的纯度由声波的波形决定。
纯度高的声音波形规整，纯度低的声音波形复杂。
4.音速频谱：将一个复杂的声音分解为不同频率的正弦波，得到的频率分布图称为音速频谱。
音速频谱反映了声音的音质。
5.音量的调节：音量的调节通过改变声音的响度实现，可以通过改变声音的振幅来调节音量。
三、声音的传播与接收1.共振现象：共振是指物体在受到与自身频率相同的外力作用时，振幅不断增大的现象。
共振可以使声音的传播距离增加。
2.声音的吸收和衰减：声音在传播过程中会与物体相互作用，部分能量被物体吸收，使声音衰减。
3.声音的传播路径选择：声音在传播过程中会选择路径，选择传播时间最短的路径传播。
4.谐波与泛音：谐波是指与基波频率成整数倍关系的波，泛音是由共振产生的声音，包括基波和谐波。
5.声学干涉：声音传播过程中发生相长干涉或相消干涉，会产生增强或消弱声音的现象。
八年级物理第三章声知识点
八年级物理第三章声知识点物理学是一门令人着迷的学科，其涉及的领域广泛，包括声学。
声学是物理学的一个重要分支，它研究声音的产生、传播和接收。
在八年级物理课程中，会学习到声学的基本概念和知识点，下面将介绍八年级物理第三章声知识点。
1. 声波的产生和传播声波是因物体振动而产生的机械波，能够通过固体、液体和气体传播。
在固体中传播时，声波的传播速度最快，而在气体中传播时，声波传播速度最慢。
声波的传播不需要介质的外力推动，而是通过介质中分子的相互碰撞产生和传播的。
2. 声音的响度和音调声音的响度是指其音量大小，又称为声音强度。
响度受到声波振幅大小的影响，振幅越大，响度越高。
而音调则是指声音的高低，也叫做频率。
频率越高，音调越高，频率越低，音调越低。
常见的声音都是由多个频率的声波叠加形成的。
3. 声音的反射、折射和衍射声音在传播过程中会遇到障碍物，发生反射、折射和衍射。
反射是指声波在遇到某个物体后反弹回来，经常会造成声音在封闭空间中的回声效应。
折射是指声波传播过程中遇到媒介的密度不同的边界时，发生了折射现象。
衍射是指声波在穿过一些小孔或者遇到边缘时发生的弯曲现象。
声音的反射、折射和衍射是声波传播中一个非常普遍的现象，人类的耳朵也可以通过这些特性来分辨声音方向。
4. 声音的干涉与共振声波是可以相互干涉的。
当两个声波重叠在一起时，如果它们的相位差为零，则它们会互相加强，形成放大效应，就叫做共振。
共振时，声波的响度会比单个声波大很多。
当两个声波相位差为180°时，它们会互相抵消，形成消失效应，这也叫做干涉。
5. 声音的损耗声波在传播过程中会因各种原因而发生损耗，如吸收、散射、热扩散等等。
这些损耗会导致声音的强度逐渐减小并最终衰减。
对于长距离的声音传播，这些损耗非常重要。
为了减少损耗，可以采用一些声学材料，如声屏障来吸收和散射声波。
综上所述，八年级物理第三章声知识点涉及的内容非常丰富。
了解这些概念和知识点可以帮助我们更好地理解声音的产生、传播和接收，从而更好地利用和控制声波。
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声阻率
声抗率
2.3.2 声阻抗 在一个通过声波的面积S上，可定义其声阻抗为
p Z ZA RA jX A vS S
声阻 2.3.3 特性阻抗
声抗
可以证明：在自由行波的情况下，为振速）同相，即 p 0c0 v p 定义 Z 0 0 c0 为介质的特性阻抗 v 其中 0 为静态空气的密度。
等响曲线
思考题与习题
2-1 在20℃的空气里，有一平面声波，已知其声压级为 74dB，试求其有效声压、平均声能量密度与声强。 2-2 欲在声级为120 dB的噪声环境中通电话，假设耳机在 加一定电功率时在耳腔中能产生110 dB的声压，如果在耳 机外加上的耳罩能隔掉20 dB噪声。此时在耳腔中通话信 号声压比噪声大多少倍? 2-3 已知两声压幅度之比为2，5，10，100，求它们声压 级之差。 2-4 已知两声压级之差为1dB，3dB，6dB，10 dB，求声 压幅值之比。 2-5 某测试环境本底噪声声压级40dB，若被测声源在某位 置上产生声压级70 dB，试问旦于该位置上的传声器接收 到的总声压级为多少?如本底噪声也为70dB，总声压级又 为多少?
2.6 响度 响度级
人耳对声音强度的感受不但与声波强度的对数近 于成正比，而且与声波的频率也有关。 实用上为了定量地确定某一声音的“响”的程度， 把它和另一个标准的声音(通常为1KHz纯音)相比较， 调节1KHz纯音的声压级，使它和所研究的声音听起来 同样“响”，这时1KHz纯音的声压级就被定义为该声 音的响度级。 响度级的单位为方。 例如，当1KHz纯音的声压级为80 dB时与某一扬声 器发出的声音听起来同样地响，那么不管扬声器声音 的声压级为多少，它的响度级被认为是80方。 按照以上规定，显然对1KHz的纯音，其以分贝计 的声强级与以方计的响度级数值上是相等的。
有效声压定义：
pe 1 T
T 2 p dt 0
如果 p pA cos(2ft ) ，则
1 pe T
T 2 p cos( 2 ft ) dt A 0
pA 0.7 p A 2
声压为标量，声压的大小反映了声波的强弱。 声压的单位为Pa(帕)，有时也用bar(巴) 作单位，
2.5.2 声压级
声压级定义： 待测声压的有效值 参考声压， 一般取为2×10-5Pa 待测声强的有效值
pe SPL 20log 10 pref
2.5.3 声强级
声强级定义:
SIL 10log 10
I I ref
参考声强， 一般取为10-12Pa/m2
声强级与声压级的关系:
400 SIL SPL 10log 10 0c0
沿x方向传播的正弦波可写作： p p0 cos(t kx ) 其中
k
c0
2
称为波数
2.3 声阻抗率 声阻抗 特性阻抗
2.3.1 声阻抗率
把声压、振速用复数表示为
p p0 exp j (t kx )
u u0 exp j (t kx)
定义声阻抗率为
或 其中
2 p p 2 2 c0 t
2
2 2 2 2 2 2 2 x y z
2.2.3 波动方程的解 可以证明：一维波动方程的解是：
p f ( x c0t )
x p f (t ) c0
或
其中，“+”号代表沿-x方向传播的平面波，“-”号 代表沿x方向传播的平面波。
思考题与习题（续）
2-6 房间内有n个人各自无关地朗读，假如每个人单独朗 时在某位置均产生人L1(dB)的声音，那么n个人同时朗读 时在该位置上总声压级应为多少？ 2-7 在一信号与噪声共存的声场中，已知信号加噪声的总 声压级为L，假设还已知本底噪声声压级L2，它们的声压 级差为此：ΔL2＝L-L2，证明这时信号声压级比总声压级L 低：
1Pa 1N / m
2
1 bar= 100kPa 1.01325×105Pa 210-5Pa 0.05-0.1Pa 200Pa
1标准大气压： 人耳可听阈 (1kHz)： 正常话音： 飞机发动机(5m)：
2.2 声波动方程
2.2.1 一维声波的波动方程
设质点振动与声波传播在x方向，在与其垂直的y、z方向， 质点运动相同。 基本假设： 媒质为理想流体，即媒质中不存在粘滞性。 媒质在宏观上是静止的，没有声扰动时，即初速度为零。 声波传播时，媒质中稠密和稀疏的过程是绝热的。 媒质中传播的是小振幅声波，各声学参量都是一级微量。 波动方程依赖的三个基础物理定律： 牛顿第二定律 质量守恒定律 描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程。
2 声学基本概念
声压 声波动方程 声阻抗 声强 声功率 声级 分贝 响度 响度级
2.1 声压
2.1.1 声与声波
声波是弹性介质中变化的压力、应力或质点运动等的传播， 是物质波。真空中没有声波。 在气体、液体中的声波为纵波。在固体中除了有纵波外 （P波），还有横波（S波），在固体表面上还有表面波（瑞 利波）。【本课主要涉及空气中的声波 】 连续介质模型：把流体看作是由大量连续质点组成的物体， 质点间没有间隙。质点在受力时可以移动，质点运动服从物 质守恒定律和牛顿运动定律。声波就是质点运动的传播。 质点包含大量分子，在尺度上比分子大得多，但比宏观物 体小得多。【这里的质点是有尺度的，不同于数学上的点 （尺度为零） 】。
W c0 S
2.4.3 声强 通过垂直于声传播方向的单位面积上的声能量， 单位为W/m2 W I c0 S
2.5 声级 分贝
2.5.1 背景 声振动的能量范围极其广阔。人们通常讲话的 声功率约只有10-5W，强力火箭的噪声声功率可 高达109W，两者相差十几个数量级。 人耳对声音主观上产生的“响度感觉”并不是 正比于强度的绝对值，而是更近于与强度的对数 成正比。 基于这两方面的原因，在声学中普遍使用 对数标度来度量声压和声强，称为声压级和声 强级。其单位常用dB(分贝)表示。
2.2.1 一维声波的波动方程（续）
波动方程：
2 p 1 2 p 2 2 2 x c0 t
c0 为小信号下的声速
空气中声速：331m/S (0°C)， 声速随温度的变化 331.6+0.6tC； 水中声速：程
2 p 2 p 2 p 1 2 p 2 2 2 2 2 x y z c0 t
声压级举例
声压级 （dB）
140 120 120 110 100 90
举例
喷气发动机（25m外） 痛阀，喷气飞机起飞（100m外） 摇摆音乐 摩托车加速（5m外） 风铲（2m外） 载重汽车旁，吵闹工厂
80
70 60 50
吵闹街道交通
商业办公室 谈话 安静的饭馆
40
30 20 10 0
图书馆、客厅
卧室 风吹树叶 人的呼吸声（3m外） 最好的听阀
2.1.2 声压
瞬时声压定义：
无声扰动时的静 止大气压力
有声扰动时的大 气压力
px, y, z, t P( x, y, z, t ) P0 ( x, y, z)
由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量可以间 接求得质点速度等其他物理量，所以声压已成为目前人们 最为普遍采用的描述声波性质的物理量。
2.4 声强 声功率
2.4.1 声能量密度 声能量密度：单位体积里的声能量。
1 1 2 2 0 u p 0 2 2 2 c 0 0
平均声能量密度：
2 pe 2 0 c0
2.4.2 声功率
单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S的 平均声能量，单位为：W。