声波的基本特性..共32页
(完整版)第一章：声波的传播特性及人耳的听觉
第一章声波的传播特性及听觉特性第一节声波的传播特性声波是由物体振动产生的，当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可听到。
振动发声的物体称为声源，有声波传播的空间称为声场。
当声源在空气中发声时，媒质质点在平衡位置附近作往复振动，媒质中振动着的质点的位移会作用到相邻质点，使后者也产生振动，于是，振动形成波动，在空间传播开来，在声源周围形成疏密交替的空气压力波，称为声波。
声波在150C时，大约以340m/s的速度由声源向外传播。
气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上。
在传播过程中不受反射而向前行进的声波，称为行波。
在某一时刻，空间行波相位相同各点的轨迹曲面称为波阵面，也称为波前。
波阵面为平面的声波称为平面声波。
尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的，波阵面为球面，称为球面声波。
这种声源称为点声源。
现实中的声源，即使具有一定尺寸，但在距离与声源尺寸相比充分远时，也可将它看作点声源，在这样的距离处得到球面声波。
当距离远到一定程度时，波阵面即与平面声波的波阵面相接近，可看作平面声波。
声能从声源沿波阵面的法线方向传播的路径称为声线，在各向同性的媒质中，声线是代表声波的传播方向。
例如球面声波的声线就是球面的半径线。
声波的瞬时状态可用声压、媒质质点振速和媒质密度中的任何一个来描述。
（1）声压：有声波存在时，在静态大气压强上叠加的变化分量称为声压。
（2）质点振速：有声波存在时，媒质质点的振动速度。
单位为m/s。
（3）媒质密度：单位体积内的媒质质量称为媒质密度。
有声波存在时，媒质密度要产生稠密稀疏的变化。
单位为kg/m3。
一、声波的反射声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面，会产生反射。
声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等，即反射角等于入射角。
反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样，即如同在该位置处有一声源，称为虚声源，也称为镜像声源，它与界面的距离等于声源与界面的距离，如图1-1所示。
描述声波的特性及其应用
描述声波的特性及其应用一、声波的特性1.定义：声波是机械波的一种，是由物体振动产生的，通过介质（如空气、水、固体等）传播的波动现象。
2.分类：根据传播介质的性质，声波可分为空气声波、水声波和固体声波等。
3.频率：声波的频率是指声波振动的次数，单位为赫兹（Hz）。
人耳能听到的声波频率范围约为20Hz～20000Hz。
4.波长：声波的波长是指相邻两个声波峰或声波谷之间的距离。
声波的波长与频率成反比。
5.速度：声波在介质中的传播速度与介质的性质有关。
在常温下，空气中的声速约为340米/秒。
6.能量：声波具有能量，其能量与振幅有关。
振幅越大，声波的能量越大。
7.方向性：声波在传播过程中，能量会向四面八方扩散，具有一定的方向性。
二、声波的应用1.通信：声波在空气中传播，可应用于语音通信、广播、电视等领域。
2.医学：声波在生物体内传播，可用于超声波诊断、超声波治疗等。
3.工业：声波在材料中传播，可用于无损检测、声纳测距等。
4.音乐：声波在空气中传播，可应用于音乐演奏、录音等领域。
5.环境监测：声波可用于监测噪声污染、评估生态环境等。
6.军事：声波在水中传播，可用于水下通信、潜艇探测等。
7.科学研究：声波在地球内部传播，可用于地质勘探、地震监测等。
8.生物：声波在生物体内传播，可影响生物的生长、发育和行为。
9.教育：声波可用于教学演示、实验验证等。
10.日常生活：声波可用于各种声控设备、报警系统等。
综上所述，声波是一种具有广泛应用前景的波动现象。
了解声波的特性及其应用，对于中学生来说，有助于培养对物理学科的兴趣和认识。
习题及方法：1.习题：声波的频率是多少？解题方法：声波的频率是指声波振动的次数，单位为赫兹（Hz）。
例如，人耳能听到的声波频率范围约为20Hz～20000Hz。
2.习题：声波的波长与频率之间的关系是什么？解题方法：声波的波长与频率成反比。
频率越高，波长越短；频率越低，波长越长。
3.习题：声波在空气中的传播速度是多少？解题方法：在常温下，空气中的声速约为340米/秒。
声波基本的基本性质及其传播规律
声线：常称为声射线，就是子声源发出的代表 能量传播方向的射线，在各向同性的媒质中， 声线就是代表波的传播方向且处处与波阵面垂 直的直线。
声波的基本类型
1 平面声波： 声波的波阵面是垂直于传播方向的一系列 平面时，称其为平面声波。
2.2.1 平面声波：
1平面声波：
声线： 相互平行的一系列直线。
c.声功率级
W LW 10 lg W0
W0 10
12
W
声功率级单位：分贝。
声压级和声强级的关系：
I LI 10 lg I0
P I c
2
P 2 c P 0c0 LI 10 lg 20 lg 2 P c P 10 lg c 0 0 0 0
（1）声能量
声能量： 声能量＝动能＋势能 体积元的总声能量：
P11
2 V0 p 2 E EK EP 0 (u 2 2 ) 2 0 c
（2）平均声能密度：声场中单位体积媒质所含有的声能量。 对于在自由空间内传播的平面声波而言： pe2 w 0c 2 J∕m3
4、 声强、声功率
声波的类型
声波的类型 类型 平面声波 球面声波 柱面声波 波阵面 垂直于传播方 向的平面 以任何值为 半径的球面 同轴圆柱面 声线 相互平行 的直线 由声源发出的 半径线 线声源发出的 半径线 声源类型 平面声源 点声源 线声源
2.1.2 描述声波的基本物理量
2.1.2 描述声波的基本物理量
1、声波频率、波长和声速 （1）声波频率： 一秒钟内媒质质点振动的次数，单位为赫兹(Hz)。
c cT f
f 1 T
2.1.2 描述声波的基本物理量
（3 ）声速振动在媒质中传播的速度。 媒质特性的函数，取决于该媒质的弹性和密度； 声速会随环境的温度有一些变化。
声波的基本性质及其传播规律
而媒质中声波传播速度为c，则： t’= x/c代入上式则有 p（x,t）=P0cos[ω (t－x/c)]为方便起见，定义（圆）波数为 k＝ω/c ＝2π/λ其物理意义是长为2πm的距离上所含的波长λ的数目，于是p(x,t)又可以写成： p(x,t)=P0cos (ωt- kx ） （2－7） 上式表示沿x方向传播的平面波。又因声波只含有单频ω，没有其他频率成分，所以叫简谐平面声波， P0为声压的幅值， (ωt- kx ）为其相位，它描述在不同地点x 和各个时刻t声波运动状况。
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设两声源频率相同，到声场中某点s的距离分别为x1和x2，则两列波在s点的瞬时声压分别为 p1＝P01cos(ωt－kx1)=P01cos(ωt-φ1) p2＝P02cos(ωt－kx2)=P02cos(ωt-φ2)式中 P01、P02－－第一列波和第二列波的声压幅值； φ1、 φ2－－ ， ，是第一列波和第二列波的初相位。
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图2.5 声场中媒质单元体受力图
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由于该力的作用使体积元ΔV产生加速度，在我们所讨论的一般声音的情况下，由牛顿第二定律得 式中ρ为媒质的密度， 为加速度。 又由于 ΔV ＝SΔx 所以写成微分形式为或写成积分形式
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2.1.2 描述声波的基本物理量声压：通常用p来表示压强的起伏量，即与静态压强的差p=(P-P0)，称为声压。Pa,1Pa=1N/m2波长：在同一时刻，从某一个最稠密（或最稀疏）的地点到相邻的另一个最稠密(或最稀疏）的地点之间的距离称为声波的波长，λ(m)周期：振动重复1次的最短时间间隔称为周期。T(s)频率：周期的倒数即单位时间内的振动次数，称为频率，f, 赫兹(Hz),1Hz=1s-1声速：振动状态在媒质中的传播速度称为声速，c(m/s)。实际计算常取340m/s。
(完整版)第一章：声波的传播特性及人耳的听觉
第一章声波的传播特性及听觉特性第一节声波的传播特性声波是由物体振动产生的，当振动在一定的频率和强度范围内时，人耳就可听到。
振动发声的物体称为声源，有声波传播的空间称为声场。
当声源在空气中发声时，媒质质点在平衡位置附近作往复振动，媒质中振动着的质点的位移会作用到相邻质点，使后者也产生振动，于是，振动形成波动，在空间传播开来，在声源周围形成疏密交替的空气压力波，称为声波。
声波在150C时，大约以340m/s的速度由声源向外传播。
气体中的声波属于纵波，即波的前进方向与媒质质点的振动方向在一条直线上。
在传播过程中不受反射而向前行进的声波，称为行波。
在某一时刻，空间行波相位相同各点的轨迹曲面称为波阵面，也称为波前。
波阵面为平面的声波称为平面声波。
尺寸比波长小的声源所发出的声波是以球面扩展的，波阵面为球面，称为球面声波。
这种声源称为点声源。
现实中的声源，即使具有一定尺寸，但在距离与声源尺寸相比充分远时，也可将它看作点声源，在这样的距离处得到球面声波。
当距离远到一定程度时，波阵面即与平面声波的波阵面相接近，可看作平面声波。
声能从声源沿波阵面的法线方向传播的路径称为声线，在各向同性的媒质中，声线是代表声波的传播方向。
例如球面声波的声线就是球面的半径线。
声波的瞬时状态可用声压、媒质质点振速和媒质密度中的任何一个来描述。
（1）声压：有声波存在时，在静态大气压强上叠加的变化分量称为声压。
（2）质点振速：有声波存在时，媒质质点的振动速度。
单位为m/s。
（3）媒质密度：单位体积内的媒质质量称为媒质密度。
有声波存在时，媒质密度要产生稠密稀疏的变化。
单位为kg/m3。
一、声波的反射声波在前进过程中如果遇到尺寸甚大于声波波长的坚硬界面，会产生反射。
声波从界面反射的角度与声波入射到界面的角度相等，即反射角等于入射角。
反射的声波如同从界面后面与声源相对应位置处发射出来的一样，即如同在该位置处有一声源，称为虚声源，也称为镜像声源，它与界面的距离等于声源与界面的距离，如图1-1所示。
声波的基本特性..
Za c
式中的正号表示平面波沿正方向传播的声阻抗率，负号表示沿负 方向传播的声阻抗率。乘积 c 值是媒质固有的一个常数。它的数值 对声传播的影响比起 或 c单独的作用还要大。所以这个量在声学 中具有特殊的地位。因它具有声阻抗率的量纲，所以称 c为媒质的 特性阻抗，单位为瑞丽。（1瑞丽=1帕·秒/米）
下表为不同材料媒质的特性阻抗
（大气压为1.013×105帕）
媒质 空气 温度（º C） 密度（千克/米3） 0 20 1.293 1.21 声速（米/秒） 331.6 343 特性阻抗 （帕·秒/米） 428 415
水
海水 水银 铝（棒）
20
13 20
998
1026 13600 2700
1481
1500 1450 5150
日常生活中所遇到的各种声音用帕表示时又有多大 呢？下面列出几个数字： 正常人耳能听到的最弱声音 2×10-5帕 普通谈话声 2×10-2帕 交响乐演奏声（相距5~10米处） 0.3帕 织布车间 2帕 柴油机、钢铁厂 20帕 喷气飞机起飞 200帕
2.3 声波的波动方程和声速
2.7 级和分贝
在声学中普遍使用对数标度来度量声压和声强。因为对数的宗 量是一无量纲的量，所以我们通常取一个物理量的两个数值之比的 对数称为这个物理量的“级”。那个被比的量通常称为参考量。有 时取对数后的数值又嫌过小而不方便，又往往将结果乘以10倍来定
声学基础1_声波的基本性质
• 线性化（小振幅波）
dP 1 c0 d s ,0 s 0
2
• 小振幅波媒质状态方程为
p c0
2
14
第1章 声波的基本性质
1.2 波动方程
线性波动方程
• 一维线性声波动方程
u p 0 t x u ' 0 x t 2 p c0 '
18
u y
p u z dt 0 z 1
第1章 声波的基本性质
1.2 波动方程
速度势的定义
速度势
, , uy x y
p
0
dt u x
uz z
u
速度势的性质
状态方程:
则 称为速度势函数
p 2 c0 t t
连续性方程: div( 0u )
1 2 2 2 c0 t
各向均匀球面波：波阵面保持球面，传播方向为矢径
无限长圆柱面波：波阵面保持柱面，传播方向为矢径
2 ( rp ) 1 2 ( rp ) 2 2 c0 t 2 r
S 4r 2
1 p 1 2 p r 2 r r r c0 t 2
波阵面定义：声波传播某一时刻后声波的等相位面
17
第1章 声波的基本性质
1.2 波动方程
速度势 矢量场理论简介
一个矢量可以表示为标量的梯度和零散度矢量的旋度
divΗ 0 H z H y H x H z H y H x Η y z i z x j x y k
声波的特性与声音的频率分析
音色合成与修改的应用：音乐制作、 声音设计、音频处理等
04 声音的录制与处理
声音的录制技术
模拟录音：使用磁 带等模拟介质记录 声音
数字录音：使用数 字介质和设备记录 声音
采样率：数字录音 中以每秒采样的次 数表示声音的清晰 度
常温下，声波在空气中的传播速度 为343米/秒。
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声波在固体中传播速度最快，液体 次之，气体中声波传播速度最慢。
声波在传播过程中遇到障碍物时， 会发生反射、折射和衍射等现象。
声波的振幅
定义：声波振幅是指声波在一定时间内波动的最大位移量 影响因素：声波的振幅与声源的振动幅度、介质的性质和温度等因素有关 测量方法：通过测量声波的电压或电流幅度来间接测量声波的振幅
声音的稳定性：反映声音的平 衡和和谐程度
声音的频谱分析
定义：将声音信号分解成不同频率的成分，并分析其振幅和相位。 目的：了解声音的组成和特性，用于声音处理、语音识别等领域。 方法：通过傅里叶变换等方法将时域信号转换为频域信号，再进行分析。 应用：音乐制作、声音美化、语音识别等。
声音的噪声分析
定义：声音的噪声是指与所需信号无关的干扰信号 分类：自然噪声和人为噪声 测量方法：通过声级计等设备进行测量 分析方法：频谱分析、统计分析等
音色的组成与特性
音色是由泛音和基音组成的 音色的特性包括清晰度、丰满度、柔和度和圆润度等 不同乐器和人的声音具有不同的音色特点 音色可以用于区分不同的声音来源和情感表达
音色的感知与评价
音色的定义： 声音的品质， 由基频和谐波
共同决定
音色的感知： 人耳对音色的 主观感受，受 到声音的响度、 持续时间等因
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END
声波的基本特性..
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃