聲音的形成及其傳播

    1.什么是聲音
    根據(jù)人對(duì)信號(hào)的感知，人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)所能感受到的信號(hào)就是聲音。
    聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，但是人耳并不是所有的聲音或者說(shuō)所有的頻率都能聽(tīng)的見(jiàn)，通常人耳能感知到的頻率范圍為10Hz----20KHz。
    首先，聲音有它自己的形成方式，它的過(guò)程是先要對(duì)物體產(chǎn)生一個(gè)策動(dòng)力，物體開(kāi)始振動(dòng)產(chǎn)生聲波，再通過(guò)某種媒質(zhì)傳遞到人的耳膜，最后送到大腦產(chǎn)生相應(yīng)的感知。
    上圖就是聲音形成的條件。總結(jié)一下；
    （1）物體的振動(dòng)
    （2）彈性媒質(zhì)的傳播
    （3）耳膜（鼓膜）的相應(yīng)振動(dòng)
    （4）大腦的感知
     2.聲音的傳播方式
    在媒質(zhì)中，聲音是以波的形式進(jìn)行傳遞的，但聲波在媒質(zhì)傳播時(shí)，媒質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)并不隨聲波前進(jìn)，它只在原地振動(dòng)，傳遞出去的只是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的狀態(tài)。就象把以塊石頭投入水中，水波向外傳遞，但原位置的水只是在原地上下波動(dòng)一樣。這里應(yīng)該提到的是聲波在真空中不能傳遞的，我們平時(shí)在電影中看到的太空飛船在外太空中飛行的時(shí)候所產(chǎn)生的轟隆聲是不存在的。
    波形傳遞的方式可以分為橫波和縱波。
    橫波：物質(zhì)振動(dòng)的方向與波振動(dòng)的方向相垂直的波。如繩子的波動(dòng)就為橫波。
    縱波：物質(zhì)振動(dòng)的方向與波振動(dòng)的方向相同的波。我們聽(tīng)到的聲波就是縱波。
    波形的振動(dòng)系統(tǒng)                                                    

    人耳在大自然中聽(tīng)到的聲波并不是像我們?cè)谖锢碇袑W(xué)到那種簡(jiǎn)單的正弦波，大自然中的聲音是由許許多多的簡(jiǎn)單波組成的一種復(fù)合波，簡(jiǎn)單波除了我們說(shuō)到的正弦波以外還有方型波，三角波，鋸齒波等。
    人耳對(duì)不同強(qiáng)度、不同頻率聲音的聽(tīng)覺(jué)范圍稱為聲域。在人耳的聲域范圍內(nèi)，聲音聽(tīng)覺(jué)心理的主觀感受主要有響度、音高、音色等特征和掩蔽效應(yīng)、高頻定位等特性。其中響度、音高、音色可以在主觀上用來(lái)描述具有振幅、頻率和相位三個(gè)物理量的任何復(fù)雜的聲音，故又稱為聲音“三要素”；而在多種音源場(chǎng)合，人耳掩蔽效應(yīng)等特性更重要，它是聲學(xué)的基礎(chǔ)。下面簡(jiǎn)單介紹一下以上問(wèn)題。
    1.振幅
    物體或物理量運(yùn)動(dòng)時(shí)離開(kāi)平衡位置的最大距離稱為“振幅” 單位是“m”米，用“A”來(lái)表示（Amplitude) ，因此聲音能量的強(qiáng)弱程度，主要取決于聲波振幅的大小。而它在人耳聽(tīng)覺(jué)中影響的是響度的大小。
    2.周期
    振動(dòng)物體從開(kāi)始位置起，回復(fù)到初始位置，即往復(fù)振動(dòng)完成一次。也就是說(shuō)，從任何時(shí)刻開(kāi)始，經(jīng)過(guò)了一個(gè)周期，振動(dòng)有完全相同的狀態(tài)。它的單位是“s”秒，用“T”(period)來(lái)表示。
    3.頻率
    一秒內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)叫做頻率，單位是“Hz”用“F”來(lái)表示。而它在人耳聽(tīng)覺(jué)中影響到音高，也就是說(shuō)頻率越高音高也就越高，反之。在國(guó)際上把440Hz定為標(biāo)準(zhǔn)音“A”。
    通過(guò)上圖可以看出周期和頻率存在反比的關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式表示為F=1/T。
    下圖為音高與頻率的關(guān)系。
    4.相位
    相位是說(shuō)明其聲波在周期運(yùn)動(dòng)中，各個(gè)時(shí)刻振動(dòng)所處的狀態(tài)，通常用圓周的度數(shù)來(lái)衡量。單位是“度”用“Φ”相位（Phase)或相位角(Phase Angle)來(lái)表示。
    5.波長(zhǎng)與聲速
    振動(dòng)要傳播，才能成為波。因此，波比振動(dòng)要更為復(fù)雜些，有四個(gè)要素，除了振動(dòng)的三個(gè)要素即上面講過(guò)的振幅，相位，頻率外，還有一個(gè)波的傳播速度，也就是波長(zhǎng)。
    波在振動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)傳播的距離叫做波長(zhǎng)。也可以這樣解釋；聲音在傳播途徑上，相位相同的兩個(gè)不相鄰點(diǎn)之間的距離。單位是“m”米，用“λ”來(lái)表示。
    聲速是聲波在媒質(zhì)中每秒鐘傳播的距離叫做聲波傳播的速度。單位是“m/s”米每秒，用“C"來(lái)表示，有時(shí)候也用波速“υ”來(lái)表示（v在這里是波的傳播速度，與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是兩碼事，不要混淆）。另外需要注意的的是聲速的大小與振動(dòng)無(wú)關(guān)，而與媒質(zhì)的材質(zhì)，密度和溫度有關(guān)。
    例如：
    水中 1450 m/s               木材 3320 m/s                鋼 4900m/s
    酒精 1230m/s                 玻璃 5560m/s                鋁 5160m/s
    如室內(nèi)溫度為14℃ ～ 15℃，則為340m/s。所以在不作精確要求時(shí)，我們常把空氣中的聲速以340m/s來(lái)計(jì)算。
    聲速（C）=波長(zhǎng)（λ） × 頻率（F）
    根據(jù)周期的計(jì)算公式又可推導(dǎo)為；
    聲速（C）=波長(zhǎng)（λ）/  周期（T）