声音

空气，像所有物质一样，是由分子组成的。即使是很小的空气区域也含有大量的空气分子。分子在不停地运动，以极高的速度随机移动。它们不断地相互碰撞和反弹，撞击和反弹与空气接触的物体。

振动的物体会在空气中产生声波。例如，当用木槌击打鼓面时，鼓面会振动并产生声波。振动的鼓面会产生声波，因为它交替地向外和向内运动，推动旁边的空气，然后远离空气。当鼓面向外移动时，撞击鼓面的空气分子受到鼓面的推动，以超过正常能量和速度的速度反弹回来。这些移动更快的分子进入周围的空气。因此，在一段时间内，鼓面附近区域的空气分子浓度高于正常浓度——它变成了一个压缩区域。当快速运动的分子超过周围空气中的空气分子时，它们与空气分子发生碰撞，并传递额外的能量。当鼓面振动的能量被转移到越来越远的分子群时，压缩区域向外移动。

当鼓面向内移动时，撞击鼓面的空气分子以低于正常能量和速度的速度反弹。因此，在一段时间内，鼓面附近区域的空气分子比正常情况下要少——它变成了一个稀薄的区域。当分子与这些运动较慢的分子碰撞时，反弹的速度也比正常情况下要慢，而稀薄区向外传播。

当我们绘制出一幅图来显示压缩和稀薄交替脉冲经过某一点时空气分子浓度的变化时，声音的波动性质就变得很明显了。18新利最新登入音叉:单一纯音的曲线图，如音叉发出的曲线图这条曲线表示浓度的变化18新利最新登入。它在浓度正常且压缩脉冲刚刚到达的某个时间任意开始。曲线上每个点到横轴的距离表示浓度与正常值的差异程度。18新利最新登入

每次压缩和随后的稀薄构成一个循环。(一个周期也可以从曲线上的任何一点测量到下一个对应的点。)声音的频率以每秒周期或赫兹(缩写为Hz)来测量。振幅是空气分子浓度与正常值的最大变化量。

声音的波长是在一个周期内扰动传播的距离。它与声音的速度和频率有关，公式为速度/频率=波长。这意味着高频声音波长短，低频声音波长长。人耳可以检测到频率低至15赫兹和高至20,000赫兹的声音。在室温的静止空气中，具有这些频率的声音的波长分别为75英尺(23米)和0.68英寸(1.7厘米)。

强度是指由扰动传递的能量的总量。它与振幅的平方成正比。强度的测量单位是瓦特每平方厘米或分贝(db)。分贝的定义如下:10w /平方厘米~ 16w /平方厘米= 0db。(用十进制形式表示，10-16表示为0.0000000000000001。)每平方厘米增加10倍的瓦特意味着增加10分贝。因此，每平方厘米10-15瓦的强度也可以表示为10 db，每平方厘米10-4瓦(或0.0001)的强度也可以表示为120 db。

声音的强度随着与声源距离的增加而迅速下降。对于向各个方向均匀辐射能量的小声源，其强度与与声源距离的平方成反比。也就是说，在距离源2英尺的地方，强度是距离源1英尺的四分之一;在三英尺处，它只有一英尺处的九分之一，以此类推。

球场

音高取决于频率;一般来说，频率的升高会引起音调升高的感觉。然而，区分频率相近的两种声音的能力在可听到的频率范围的上半部分和下半部分下降。18新利最新登入每个人区分频率几乎相同的两种声音的能力也有所不同。一些受过训练的音乐家可以察觉到小到1或2赫兹的频率差异。

由于听觉机制的运作方式，对音调的感知也受到强度的影响。因此，当音叉以440hz(钢琴上a中音C以上的频率)振动时，耳朵会听到稍低的音调，就好像音叉振动得更慢一样。

当声源以相对较高的速度移动时，静止的听众在声源向自己移动时听到音调较高的声音，而在声源远离时听到音调较低的声音。这种现象被称为多普勒效应，是由于声音的波动性质。

响度

一般来说，强度的增加会引起响度增加的感觉。但是响度的增加并不与强度成正比。50分贝的声音强度是40分贝的10倍，但音量仅为40分贝的两倍。强度每增加10分贝，响度增加一倍。

音量也受频率的影响，因为人耳对某些频率比其他频率更敏感。在2000到5000赫兹的频率范围内，听觉阈值——能让大多数人产生听觉感觉的最低声音强度——大约为0分贝。对于低于或高于这个范围的频率，声音必须有更大的强度才能被听到。例如，100hz的声音在30db时几乎听不到;10000赫兹的声音在20分贝时几乎听不见。在120到140分贝时，大多数人会感到身体上的不适或真正的疼痛，这个强度水平被称为疼痛的阈值。

声速取决于它所经过的介质的弹性和密度。一般来说，声音在液体中比在气体中传播得快，在固体中比在液体中传播得快。弹性越大，密度越低，声音在介质中的传播速度就越快。数学关系是速度=(弹性/密度)。

通过比较空气、氢和铁中的声速，可以看出弹性和密度对声速的影响。空气和氢具有几乎相同的弹性性质，但氢的密度比空气小。因此，声音在氢中的传播速度比在空气中的传播速度快(约4倍)。虽然空气的密度比铁小得多，但铁的弹性却比空气大得多。因此，声音在铁中的传播速度比在空气中的传播速度快(约14倍)。

在物质中，尤其是在气体或液体中，声速随着温度的变化而变化，因为温度的变化会影响物质的密度。例如，在空气中，声速随着温度的升高而增加。32°F。(0°c)，声速在空气中是1087英尺每秒(331米/秒);在68°F。(20°c)，它是1127英尺每秒(343米/秒)。

亚音速和超音速的术语是指物体的速度，如飞机，相对于周围空气中的声速。亚音速是低于声速的;超音速，高于声速。以超音速运动的物体产生激波而不是普通的声波。冲击波是一种压缩波，在空气中产生时，通常可以听到音爆。

超音速物体的速度通常用马赫数来表示，马赫数是物体速度与周围空气中声速的比率。因此，以1马赫速度运动的物体就是以声速运动;在2马赫时，它的速度是声速的两倍。

像光波和其他波一样，声波也发生反射、折射和衍射，并表现出干扰。

反射

声音不断被许多不同的表面反射。大多数时候，反射的声音是不会被注意到的，因为两个相同的声音传到人耳时间隔小于1/15秒就不能被区分为不同的声音。当单独听到反射的声音时，它被称为回声。

声音从物体表面反射回来的角度与它撞击物体表面的角度相同。这一事实使得用弯曲的反射表面聚焦声音成为可能，就像用弯曲的镜子聚焦光线一样。这也解释了所谓的低语走廊的影响，在房间里，在某个地方低声说的话，在相当远的另一个地方可以清楚地听到，尽管房间里的其他地方听不到。(美国国会大厦的雕像厅就是一个例子。)反射也被用来集中声音在扩音器和通过杯状手呼叫。

在音乐厅和礼堂里，声音的反射会造成严重的问题。在一个设计不佳的大厅里，演讲者的第一个词可能会回响(反复回响)几秒钟，这样听众可能会听到一个句子的所有单词同时回响。音乐同样也会被扭曲。这类问题通常可以通过在反射表面覆盖吸音材料(如窗帘或隔音瓦)来纠正。衣服也能吸收声音;因此，空厅里的回响比满厅里的回响更大。所有这些吸声材料都是多孔的;声波进入微小的充满空气的空间，在它们周围反弹，直到能量被消耗掉。实际上，他们被困住了。

一些动物，特别是蝙蝠和齿鲸，利用声音的反射来进行回声定位，在某些情况下，通过听觉而不是视觉来识别物体。蝙蝠和齿鲸发出的声音频率远远超过人类听觉的上限，鲸鱼的频率高达20万赫兹。短波长的声音即使从很小的物体上也能被反射。蝙蝠可以在完全黑暗的环境中准确地定位并抓住一只蚊子。声纳是一种人工形式的回声定位。

折射

当一个波以一定角度从一种材料传递到另一种材料时，它通常会改变速度，导致波前弯曲。声音的折射可以在物理实验室中演示，方法是使用一个充满二氧化碳的透镜形状的气球将声波带到一个焦点上。

衍射

当声波绕过障碍物或通过障碍物的开口时，障碍物或开口的边缘就充当了次要声源，发出与原始声源频率和波长相同(但强度较低)的波。声波从二次声源向外扩散称为衍射。由于这种现象，尽管声波通常沿直线传播，但在角落里也能听到声音。

干扰

只要波相互作用，就会发生干涉。对于声波来说，最好的理解方法可能是考虑两种波到达某个点时的压缩和稀有度。当波处于同一相位时，它们的压缩和稀有度重合，它们就会相互加强(建设性干涉)。当它们不相同时，其中一个的压缩与另一个的稀有相一致时，它们往往会削弱甚至相互抵消(相消干涉)。两个波之间的相互作用产生合成波。

在礼堂里，来自舞台的声音和大厅其他部分反射的声音之间的破坏性干扰会产生声音音量和清晰度都很差的死点。这种干扰可以通过在反射表面上使用吸音材料来减少。另一方面，干扰可以改善礼堂的声学质量。这是通过这样一种方式来安排反射表面，使观众所坐的区域的声音水平实际上提高。

两种频率几乎相等但不完全相等的波之间的干涉会产生一种强度交替增减的音调，因为这两种波不断地相位差变化。所听到的脉动称为节拍。钢琴调音师利用这种效果，根据标准音叉调整琴弦的音调，直到再也听不到节拍。

只有音叉和被称为振荡器的电子设备才能发出单一纯频率的声音;大多数声音是不同频率和振幅的音调的混合。乐器发出的音调有一个重要的共同特征:它们都是周期性的，也就是说，振动以重复的模式发生。小号声音的示波器痕迹显示了这样一种模式。18新利最新登入对于大多数非音乐的声音，比如气球爆裂的声音或人咳嗽的声音，示波器的痕迹会显示出锯齿状、不规则的图案，表明频率和振幅的混乱。18新利最新登入

一个气柱，就像小号里的气柱和一根琴弦一样，都有一个基本频率——当它们运动时最容易振动的频率。对于振动的气柱，频率主要由气柱的长度决定。(小号的阀门是用来改变柱子的有效长度的。)对于振动的弦，基频取决于弦的长度、张力和单位长度的质量。

除了基频之外，一根弦或振动的空气柱也会产生频率为基频整数倍的泛音。它是产生的泛音的数量和它们的相对强度，赋予了一个特定来源的音乐音调其独特的质量，或音色。进一步的泛音的加入会产生一种复杂的模式，比如小号声音的示波器痕迹。

18新利最新登入振动弦的基频如何随弦的长度、张力和单位长度的质量而变化，可以用三个定律来描述:

1.振动弦的基频与其长度成反比。

如果张力不变，将振动弦的长度减少一半，它的频率将翻倍，音调将提高一个八度。

2.振动弦的基频与张力的平方根成正比。

增加振动弦的张力会提高频率;如果张力增加四倍，频率就会增加一倍，音调就会提高一个八度。

3.振动弦的基频与单位长度上质量的平方根成反比。

这意味着两根相同材料的弦，具有相同的长度和张力，较粗的弦具有较低的基频。如果一根弦的单位长度质量是另一根弦的四倍，粗弦的基频是细弦的一半，发出的音低一个八度。

公元前六世纪，希腊数学家和哲学家毕达哥拉斯发现了关于声音的第一个发现。他注意到一根振动的弦的长度和它产生的音调之间的关系，这就是现在所知的弦第一定律。毕达哥拉斯可能也知道声音的感觉是由振动引起的。在他去世后不久，人们认识到这种感觉取决于空气中的振动并撞击鼓膜。

大约1640年，法国数学家马林·梅森(Marin Mersenne)进行了第一次测定空气中声速的实验。梅森还被认为发现了弦的第二和第三定律。1660年，英国科学家罗伯特·波义耳(Robert Boyle)证明了声音的传播需要一种介质——他证明了人们听不到从一个被抽走空气的罐子里发出的铃声。18新利最新登入

德国物理学家恩斯特·克拉德尼(Ernst Chladni)在18世纪末和19世纪初对产生声音的振动进行了广泛的分析。1801年，法国数学家傅里叶发现，由振动弦产生的复杂波由一系列简单的周期波组成。

大部分关于波浪的研究都是在19世纪完成的。英国物理学家托马斯·杨专门研究衍射和干涉。奥地利的克里斯蒂安·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)在波源相对于观测者移动时，提出了波的实际频率和感知频率之间的数学关系。

哈佛大学的物理学家华莱士·克莱门特·萨宾(Wallace Clement Sabine)在19世纪90年代末对声学的理解做出了重要贡献。Sabine被要求改善哈佛大学福克艺术博物馆主讲堂的音响效果。他是第一个测量回响时间的人，他发现在演讲厅里回响时间为5秒半。萨宾先是用附近剧院的坐垫做实验，后来又用其他吸音材料和其他方法，为建筑声学奠定了基础。他设计了波士顿交响音乐厅(1900年开放)，这是第一座具有科学音响效果的建筑。

20世纪下半叶，现代世界——尤其是城市地区——噪音水平的不断上升，促使人们展开了一系列全新的调查，主要是研究噪音对人类生理和心理的影响。