1.振动的物体发出声音 物体在某一个位置附近所做的往复运动叫做振动。在物理学中,振动通常指周期性振动,即经过一定时间,物体恢复了原来的形状,回到原来的位置。图1为弦线AB振动的示意图,弦线A、B两点固定,其余各点都以弦线静止时的位置为中心做往复运动。图中弦线上C、D两点在振动时,不断在C1与C2、D1与D2之间来回往复运动。 声音是由振动的物体发出的。观察或接触正在发声的鼓、锣、钟、琴等物体,或正在说话的人的喉头,都能发现它们在振动。不振动的物体是不会发出声音的。 2.声波是声音在介质中的传播 声音靠介质传播。没有介质,声音是无法传播的。声音传播的具体过程是:振动的物体带动周围的介质,产生相应的运动。这些随发声物体振动的介质,又带动较远的其他介质振动,使振动向外传播。 发声物体产生的振动,由近及远的传播就是声波。图2为振动在细绳中的传播情况。很容易看出,细绳的A端受到手的作用上下振动,A端右方的细绳在A的作用下也产生上下方向的振动,整个细绳都会振动。振动从A端向右传播。 一般情况下,我们听到的声音是由空气传播的。图3是音叉振动形成声波的示意图。当音叉AB振动时,它不断地压挤周围的空气,使空气出现了疏密变化,并且将这种变化向周围传播,形成空气中的声波。 如果发声物体的周围没有介质,就无法形成声波,不能将振动向外传播。如果将正在发声的闹钟放在封闭的钟罩内,当钟罩内的空气被抽出时,闹钟发出的声音会变小甚至很难被听到。同样,因为在月球上没有空气,所以登上月球的宇航员只能借助于无线电话交谈。 3.声音在不同介质中的传播速度不同 不同介质的性质不相同,传播声音的方式也不一样,所以不同介质传播声音的速度不同。同一种介质,当它的温度改变时,传播声音的速度也有差别。例如,空气在15℃时声速为340米/秒,在25℃时变为346米/秒。 在固体、液体中的声速比在空气中的声速大。将耳朵贴在铁轨上,能够较早地知道远处火车开动的情况,就是根据铁轨中的声速为5000米/秒,大于空气中声速的道理。由于声音的传播需要时间,所以在较为精细的测量中,需要考虑声速的影响。例如,在测定运动员通过100米距离所用时间时,如果裁判员听到发令员的枪声开始计时,他将在运动员离开起跑线后按动秒表,相差的时间为t=100/340≈0.3(秒),这是相当大的误差。 实际在百米竞赛计时中,裁判员看到发令员开枪时发出的光、烟按动秒表。因为光速很大,传播100米所用的时间可以忽略不计。 4.声波在界面的反射 声波遇到障碍物时,将在界面发生反射,声波返回原来的介质。声波的反射现象与光的反射现象相似。声波在大面积障碍物上反射的结果产生回声。声波的反射和回声有很广泛的用途。 北京的天坛是在距今500多年前的明朝时修建的。在天坛内有一座“皇穹宇”,它的四周是个圆形的墙,称为“回音壁”。回音壁的中心(即圆心),有块石板,称为“三音石”。回音壁的直径约65米。图4为三音石、回音壁的示意图。如果有人在B处轻声说话,声波将不断地被墙反射,沿墙传播至另外一处C。由于墙面光滑,声波损失不大,所以C处的人能够清楚地听到B处人所说的话。如果有人在三音石A处拍手,声波将向四周传播,遇到圆墙后返回,所用时间为65/340≈0.2(秒)。 因为A点是圆心,所以向各方向发出的声波几乎同时回到A点,在A点可听到清楚的回音。声波通过A点继续传播,再次被墙反射且返回A点,人们可以听到第二个回音。因为在传播和反射时存在损耗,所以回声会变小。一般情况下,人们可以听到三次声音,每次间隔约0.2秒。5.听不见发声体所发声音的原因 人靠耳朵听取声音。人耳分为外耳、中耳和内耳三部分。如果有声波进入人耳,使得中耳处的耳膜振动,引起内耳处的神经细胞变化产生信号,信号传输至大脑形成听觉。 人能够听到声音需要四个条件:一是有声波到达人耳,二是人的听觉系统不出现故障,三是声响达到一定数量,四是声音的频率在某一范围内。这四个条件中只要有一个不满足,人就无法听到声音。分析人能否听到声音,应当从上述四个条件进行分析。 6.回声存在的条件 简单地说,只要存在障碍物就存在回声。在某些情况下,回声的现象不明显,但不能误认为没有回声。 人耳只能区分相隔0.1秒以上时间的两个声音,如果障碍物与发声体的距离较近,原声与回声的间隔不到0.1秒,回声就会与原声混在一起,使人们不易察觉。例如我们在教室里讲话,教室的墙与讲话者间隔不到15米,回声与原声时间间隔不到0.1秒,回声就会增强原声,使听众感觉到讲话者的声音较大。我们在原野上讲话时感到“声音变小”就是这个道理。 如果障碍物对声音的吸收作用强,也可以减弱回声,使人们不易察觉。例如在剧场,特别在录音场所,为了增强原声的效果,在场所内加布置的屏障吸收声音。在坐满人的教室里讲话,回声不明显的原因之一是原声被吸收回声较小。 不过以上两例都是人们不易察觉回声,不能认为没有回声。回声存在的条件就是存在障碍物,障碍物对声音反射产生回声。 7.回声问题中的倍数关系 利用回声测定障碍物的间隔时,一定不要忘记倍关系。这就是障碍物与发声体间隔是声波通过的距离的倍或者说声波从发声体到障碍物所用时间为测得时间间隔的一半。 8.音调与响度是两个概念 从物理学的角度讲,音调、响度是差异非常明显的两个概念。振动的物体会发声,振动的频率决定了音调,振动的振幅决定了响度(响度还与其他因素有关)。 如果一个物体振动的频率为每秒261.6次,不管这个物体是钢琴、小提琴、军号、笛……,或是其他发声的物体,我们都说物体发出声音的音调为钢琴的中央C。我们常讲男同学说话声音“粗”、女同学说话声音“尖”,指的是声音的音调不同。 响度表现为声音的强弱,它使人的耳膜振动幅度变化。响度与音调毫无关系,是根本不同的两个特征。打鼓发出的声音响度大而音调低,小鸟的鸣叫声音响度小而音调高。一般情况下,男同学说话响度大而音调低,女同学说话则响度小而音调高。
来源:中国哲士网
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