声音
声音是一种机械传播的压力波在物质介质中,是一个典型的例子纵波.在一定的频率范围内,会引起听觉的感觉。
声音的反射
声能和光能一样,遵循反射定律:
- 它的入射角等于反射角。
- 入射波、反射波和法线在同一平面上。
下面的实验演示了声波的反射定律:
取一块光滑抛光的大木板,垂直放置在桌子上,与木屏风成直角。在屏幕的每一边放置一个长,窄,高度抛光的管道从内部。在一根管子的末端放一个时钟。将另一根管子稍微向左或向右移动,直到听到清晰的滴答声。测量入射角和反射角,你会发现它们是相等的。因此,这个实验说明了反射定律。
声音的实际应用
扩音器或扩音器:
当你必须打电话给距离很远的人(比如100米)时,你会怎么做?你双手成杯状,用最大的声音呼叫那个人。你为什么手挽成杯状?这是因为手可以防止声音能量向各个方向传播,就像人们在集市或旅游景点向一群人讲话时使用喇叭形状的金属管(通常被称为扩音器)一样。同样,公共广播系统中使用的扩音器也有喇叭形的开口。在所有这类装置中,声能通过喇叭形管的连续反射来防止扩散。
助听器:
助听器是听力不好的人使用的一种设备。它的形状像一个小号。耳塞窄的一端塞在听力不好的人的耳洞里,而较宽的一端则面向说话者。喇叭较宽的一端接收到的波被反射到较窄的一端,从而增加了它的强度。所以,听力不好的人可以很容易地听到。
董事会的声音:
声波在平面上和弯曲的反射面上都服从反射定律。为了在大的大厅或礼堂里均匀地传播声音,扬声器被固定在一个凹面反射器的焦点上,这个凹面反射器通常被称为发声板。声波在撞击探空板时被平行于主轴反射。这样,每个人都能听清楚。
回声
这种现象被称为回声,即在给定源的原始声音消失后,通过远处物体(如山丘或高层建筑)的反射,可以听到重复的声音。
人们发现,任何声音的感觉都能持续一段时间 一秒钟。这个时间被称为可听性持续或听力持续。因此,很明显,如果任何声音在上述时间内返回到耳朵,我们就无法判断原始声音是在什么时候消失的,而反射的声音是在什么时候到达耳朵的。换句话说,没有回声。但在相反的情况下,观察结果是不同的。
声速、反射体到声源的距离和听到回声的时间之间的关系:
如果 是听到回声的时间, 声源和反射体之间的距离,和 是声速,那么声音传播的总距离是 .
因此,在时间上
声音传播的距离是
因此,1秒内声音传播的距离为
也就是"声速"
所以,
回声形成条件:
- 声源与反射体之间的最小距离应为 通常是因为空气中的声速通常是
- 声音的波长应小于反射体的高度。
- 声音的强度应该足以使反射后能被听到。
影响:
在一个封闭的房间里,当一系列的反射物从各种反射器一个接一个地落在耳朵上,从而形成一种连续的滚动声时,就会产生混响。
礼堂的构造方式使每个人都能接收到声音信号。
回波的数值问题:
一个男孩站着 在一堵高墙前,然后吹哨子。计算他听到回声的间隔时间。声速为 .
墙与男孩的距离:
声速:
时间: 秒。
一个男人站在两个平行的悬崖之间,开了一枪。他听到了两个连续的回声 秒, 秒。这两个悬崖之间的距离是多少?声速在空气中是 .
声速:在空气中的声速:
第一次听到回声的时间:
那个人离附近悬崖的距离:
听到第二次回声所需时间:
那个人离远处悬崖的距离:所以悬崖之间的距离是 米。
自由振动
定义:
在一个物体中产生的自由振动,在它的平均位置受到轻微扰动时,被称为自然振动的自由振动。它也可以定义为在没有任何外力的情况下,具有恒定振幅的物体的周期性振动。在没有任何阻力(如空气等)的情况下,自由振动的振幅保持不变,频率也保持不变。理论上,这种振动只有在真空中才可能发生。然而,实际上,由于介质的存在,这种振动是不可能的。
自然时段:物体进行自然振动的时间周期称为自然时间周期。
固有频率:一个自由振动的物体每秒振动的次数称为固有频率。
自由振动的例子:
- 在其平均位置振动的自由悬挂的摆
- 一端夹紧的金属刀片被轻轻搅动
- 在橡胶垫上敲击的音叉
阻尼振动
当一个单摆开始运动时,可以观察到它的振幅不断减小,直到静止。同样,任何自由振动物体的振幅都随着时间的推移而减小。然而,值得注意的是,振动体的频率或时间周期保持不变,因此运动本质上是周期性的。由于周围介质对振动体施加的摩擦力而产生阻尼(振幅减小)。
定义:在存在阻力的情况下,振幅连续减小的周期性振动称为阻尼振动。
摩擦力与物体的速度和周围物质的性质(如密度、粘度等)成正比。由于摩擦力的作用,振动系统失去能量,振幅逐渐减小,直至静止。振动体损失的能量逐渐转化为热能,消散在周围介质中。
阻尼振动的例子:
- 音叉在空气中的振动
- 弦乐器在空气中的振动
- 单摆在空气中的振动。
强迫振动
定义:阻尼现象不允许自由振动的物体保持其振动幅度。如果振动的幅度必须保持,那么就必须施加一个外部周期力。由外部周期性力产生的振动称为强迫振动。
强迫振动的特点:
受外力周期力作用的物体振动不是以其固有频率,而是以外力周期力的频率振动。
振动的幅度随时间保持不变,但其大小取决于驱动力的频率。
如果外力的频率与物体的固有频率相差很大,则振荡的幅度很小。
如果外力的频率完全等于振动体的固有频率,或者是振动体的固有频率的整数倍,则振动的幅度非常大。
强迫振动的例子:
当振动音叉的手柄压在桌面上时,会听到一声巨响。这是因为振动音叉迫使桌面以自己的固有频率振动。由于桌面很大,强制振动会产生更大的声音。
当锡塔琴或吉他的金属丝被拨动时,琴板和吹风盒会产生强烈的振动。
所有弦乐器都配有吹风盒。当琴弦产生的振动作用于封闭的空气时,就会产生强迫振动,并发出巨大的声音。
当留声机的唱针在唱片的凹槽中移动时,就会产生强制振动。
共振
定义:它被定义为一种现象,当施加外力的频率等于或是施加外力的物体的固有频率的整数倍时,它很容易接受振动并开始以增加的振幅振动。
产生共振现象的条件:
- 给定物体的固有频率必须等于,或者是外力频率的整数倍。
- 振动的物体必须有足够的力,才能使另一个物体产生振动。
共振的例子:
摩托车的车架在某一特定速度行驶时开始剧烈振动是一种常见的经验。原因是此时车架的固有频率与发动机活塞的频率相匹配,引起共振。
士兵过桥时经常被要求放慢脚步。采取这一预防措施是为了防止桥梁的突然倒塌,这可能是由于士兵脚步声引起的外力频率与桥梁的自然频率相匹配而发生的。
当无线电台以某种特定的波长或频率广播时,这些波被天线接收,并产生强迫振动。当接收端的人调音收音机时,他在某种程度上改变了收音机的固有频率。当收音机的固有频率与广播电台的频率相对应时,就会发生共振。因此,无线电信号被放大。这些信号在无线电中被进一步处理,因此声音被放大。
拉伸弦的振动
每当一根弦被拨动时,它就开始以特定的频率振动。音符的出现频率取决于以下因素:
- 长度定律:一根被拉伸的弦发出音符的频率与它的长度成反比。
- 张力定律:被拉伸的琴弦发出音符的频率与琴弦张力的平方根成正比。
- 质量定律:在一根拉伸的弦上产生音符的频率与每根弦单位长度的质量的平方根成反比。
需要记住的术语:
节点:节点是振动弦上具有最大张力和最小位移的点。
迎弦点:迎弦点是振动弦上位移最大、张力为零的点。
主音或第一个谐音或基本音:使金属丝振动的音 节点和 副节,然后产生的音符被称为主音或基本音或第一和声。
第二谐音或第一八度:使金属丝振动 节点和 副节,然后产生的音符被称为主音或第二谐或第一八度。
吉他的两根弦都有长度 而且 它们分别由相同的材料制成,具有相同的厚度和相同的张力。如果长导线的频率是 ,求小导线的频率。
我们有 所以 代入这些值,
音乐声音与噪音
能在我们的耳朵中产生愉悦的感觉并能被接受的声波被称为音乐声音。在我们的耳朵中产生不愉快的感觉和不可接受的声波被称为噪音。然而,很难区分音乐声音和噪音,因为一个特定的声音对某人来说可能是愉快的和可以接受的,但对其他人来说可能是不愉快的和不能接受的。一般来说,由有规律的周期性振动产生的声波具有音乐性质,而由物体不规则的非周期性振动产生的声波则是非音乐性质或噪音。
音乐声音的特点
球场
音乐声音的这一特征使我们能够区分两种音量相同、来源不同、频率不同的声音:
响度或强度
声音强度是声能流过单位面积的时间速率。Loudness是由耳朵的强度和反应共同作用在大脑中产生的感觉:
声音响度测量单位:声音的响度以分贝(dB)为单位。1分贝被定义为声音强度增加时的响度变化 .品质或音色
不同乐器的音符是由这个特征来区分的。这是因为不同的乐器会产生不同的波形。乐器发出的声音在波长、响度和波形上各不相同。波形的不同是因为乐器除了主音之外还会产生许多副音,这种差异取决于乐器的形状、大小和材料。这也是为什么很少有人是真正的歌手,因为他们所发出的声音质量要优越得多,在我们的耳朵上有更愉快的感觉。