视频字幕
声音是我们日常生活中最重要的信息载体之一。从物理学角度来看,声音本质上是由物体振动产生的机械波。当物体振动时,会推动周围的空气分子,使它们产生疏密变化,形成声波向四周传播。
音叉是演示声音产生的经典例子。当我们敲击音叉时,它的两个叉臂开始振动,推动周围的空气分子。这些空气分子的振动以波的形式向外传播,最终到达我们的耳朵,我们就听到了声音。
声波具有四个重要的物理特性参数。频率表示每秒钟振动的次数,单位是赫兹。振幅表示振动的最大位移,决定了声音的响度。波长是相邻两个波峰之间的距离。波速则是声波传播的速度,等于频率乘以波长。
让我们通过动画来观察这些参数的变化。首先改变频率,可以看到波的疏密程度发生变化,频率越高,波长越短。然后改变振幅,可以看到波的高度发生变化,振幅越大,声音越响。
声音在不同介质中的传播速度差异很大。声速的计算公式是v等于根号下弹性模量除以密度。在20摄氏度的空气中,声速约为343米每秒。在水中,声速约为1500米每秒。而在钢铁中,声速可达5000米每秒。
让我们通过粒子动画来观察声波在不同介质中的传播。可以看到,在空气中粒子间距较大,传播较慢。在水中粒子更密集,传播更快。在钢铁中粒子排列最紧密,声波传播最快。影响声速的主要因素包括介质的密度、弹性模量和温度。
人耳对声音的感知有三个重要要素:音调、响度和音色。音调对应声波的频率,频率越高音调越高。响度对应声波的振幅,振幅越大声音越响。音色则对应声波的波形,不同的波形组合产生不同的音色。人耳的听觉范围大约是20赫兹到20千赫兹。
响度的单位是分贝,计算公式是L等于20倍以10为底的对数,括号内是声压与参考声压的比值。不同声音的响度差别很大:耳语约30分贝,正常谈话约60分贝,交通噪音约80分贝,飞机起飞时可达120分贝。音色则由复合波形决定,不同乐器产生不同的频谱特征。
声学中有许多重要现象。反射是声波遇到障碍物后返回的现象,这就是回声的原理。折射是声波在不同介质中传播时发生弯曲。干涉是两列波相遇时产生的加强或减弱现象。衍射是声波能够绕过障碍物继续传播的现象。
多普勒效应是当声源和观察者之间有相对运动时,观察者听到的频率会发生变化的现象。计算公式中,f'是观察到的频率,f是原始频率,v是声速,vr是接收者速度,vs是声源速度。救护车经过时音调的变化就是典型的多普勒效应。