可听和不可听声音

声音在我们生活中最重要的功能是促进沟通。我们每天都能听到无数的声音。溪流和河流、响亮的塑料纸、锤子敲击的钉子、乐器发出的乐音、鸟儿的鸣叫以及人声，所有这些都能被听到，仅仅是因为它们发出了声音。

什么是声音？

要理解声音的理论，我们必须首先掌握什么是振动。

什么是振动？

• 它是物体前后或来回的运动。
• 例如，当一根橡皮筋被一只手拉伸并在中间拉扯时，它就会开始来回摆动。换句话说，它开始振动。
• 这种振动会产生声音。
• 任何振动的物体都会发出声音。
• 声音通过某种介质（如固、液、气三种物质状态）以波或振动的形式传播。
• 由于真空中没有分子可以振动，因此不会有声音。声音是可听的。
• 让我们用一个简单的爆破气球的场景来理解。
  • 当气球爆炸时，高压分子会涌向表面，并撞击或碰撞附近的空气粒子。
  • 这些粒子会撞击下一组相邻的粒子，循环往复。
  • 这会形成一个不断扩大的空气分子圆圈，它们只是互相碰撞。
  • 这被称为压力波或声波。
  • 当波穿过空间传播时，反弹的空气分子最终会对你的耳膜施加压力，导致内耳的部件移动。
  • 然后，你大脑会分析内耳的运动，从而让你知道这个声音听起来像是气球爆炸。
• 尽管气球被戳破的声音看起来很简单，但从分子层面放大观察，会发现一个复杂的模式，展示了空气粒子如何相互碰撞。
• 气球被戳破后，这种模式会在十分之一秒内出现。

这种模式从何而来？

• 当高压分子向外涌出时，会产生一个高压波。
• 但当它们这样做时，气球的中心会留下一个低压的空隙。
• 空气分子会涌回以填补这个空间，从而产生一个低压波。
• 当分子过快地涌回以填补空间时，会产生第二个高压区域。
• 每一次这个循环重复，就会产生高压波和低压波。
• 高压时粒子聚集在一起，发生压缩；低压时粒子分散开来，发生稀疏。
• 声音是由这两个过程的结合产生的。
• 因此，声波是连续的压缩和稀疏的序列。

声音的传播介质

声音必须通过介质才能被听到。固体、液体或气体都可以作为传播声音的介质。

• 我们知道空气是气体的混合物，声音可以通过空气传播。
  • 物体掉落破碎的声音、火箭的声音、警示救护车来临的警报声，以及许多其他声音，都以空气作为传播媒介。
• 让我们通过下面的演示来进一步了解声音如何通过液体传播。
  • 将一个铃铛放入装满水的浴缸中，不要让它接触底部。
  • 现在，在水中摇晃铃铛，同时将一只耳朵靠近浴缸。我们就能听到声音。
  • 这里的水（液体）被用作传播介质。
    
• 通过固体传播声音
  • 让我们通过一个例子来进一步理解这一点。
  • 医生使用听诊器测量你的心率。
  • 医生会将一个隔膜压在你的胸部。
  • 通过管道，心跳声可以被听到并被两个耳塞拾取。在这种情况下，固体（管道）是传播介质。

声音能穿过任何材料吗？

• 声音不能在真空中传播。
• 真空是指大部分物质已被排除的区域。
• 例如，在太空中听不到声音。

让我们来发现更多关于声波的事实

• 本质上，声音是振动。
• 我们可以用类似山和谷的独特图案来描绘声音。
• 我们称这些图形为波，因为它们看起来像微小的山脉和山谷。
• 我们可以通过例子来理解这一点。想想扬声器是如何工作的。
  • 为了让扬声器发出声音，它需要短暂地升高然后再次下降（换句话说，它必须来回移动）。
  • 它必须快速完成任务，在一个小的脉冲中。
  • 由于扬声器的来回运动，扬声器附近立即的空气粒子会被推向外面。
  • 然后它们会撞击旁边相邻的空气粒子。
  • 这个过程将随着这些分子冲击前面的分子而重复。
  • 在这个过程中，扬声器的波脉冲最终被传递出去。
• 不幸的是，这本身不足以产生声音。
• 这个脉冲必须定期发生，或者这个过程每秒必须执行多次才能产生声音。
• 由于空气粒子的振动，声波可以以 340 米/秒的速度传播。
• 然而，与水相比，水更稠密，分子之间的距离更近，它能以大约 1500 米/秒的速度传输声音。

频率

• 由于扬声器的脉动而振动的空气粒子被称为纵波。
• 然而，将声波可视化为横波更为实用。
• 在这个图表中，每秒周期内有许多波。
• 例如，我们可以说，如果图表中的四个波在同一秒内振动，那么扬声器的振动速度就是每秒四个脉冲。
• 这揭示了关于频率的信息。
• 频率的单位是赫兹。通过这个，我们可以推断扬声器产生 4 赫兹的声音。
• 人耳能够响应的频率范围仅限于 20 赫兹到 20,000 赫兹。
• 任何低于 20 赫兹的频率都称为次声波。人耳无法听到次声波。
• 超声波，定义为任何频率高于 20,000 赫兹的声音，人耳也无法检测。
• 随着频率的升高，我们也在提高音调。

波长

• 横波的宽度以波长来衡量。
• 如果波长较长，我们在给定时间内得到的脉冲就较少。这表示低频，因此音调较低。
• 另一方面，较短的波长意味着在给定时间内传递的脉冲更多。由于频率高，所以音调高。

振幅

波的高度将表示横波的振幅。在声波中，较短的波对应于较小的声音，较长的波对应于较大的声音。

声音的特征

音调

• 声音的这一特征将洪亮的声音与尖锐的声音区分开来。
• 尖锐的声音，也称为窄音，当声音频率高时产生。例如，猫和鸟的声音。
• 低频声音产生洪亮的声音，这是一种低沉的声音。例如，狗和青蛙的声音。
• 声音的频率会改变其音高。
• 频率高、波长小的声音被称为高音。例如，吉他的声音。
• 低音调：声音具有长波长和低频率。例如，鼓的声音。

响度

• 声音的响度取决于声音的能量（或振幅）。声音的响度随声音能量的增加而增加，反之亦然。当声音的振幅很小时，它就会变成一个微弱的声音。
• 例如，当你调高扬声器的音量时，扬声器会放大声音，导致我们听到响亮的音乐。

质量

• 声音的一个特征是，如果不同的乐器发出两种响度相似且音高相同的声音，我们可以区分它们。
• 让我们以声音 1 和声音 2 为例。
  • 声音 1 的波长为 0.4 米，振幅为 0.5，频率为 20 赫兹。
  • 声音 2 的频率是 20 赫兹，波长是 0.4 米，振幅是 0.5。
  • 这表明这两种声音的特征是相似的。
  • 即使两种乐器的特性相同，如果我们用鼓演奏声音一，用钢琴演奏声音二，我们也可以区分它们的声音。
  • 声音的高品质使之成为可能。
    

声音的分类

物体每次振动都会产生声音。发生这种情况时会产生不同频率的声音。因此，这些频率是我们了解给定频率下声音可听性的重要因素。

不可听声

• 不可听声是指频率低于 20 赫兹或振动频率低于每秒 20 次的声音。
• 人耳无法感知这些声音。
• 它们包括超声波和次声波，我们将在下一节中研究。

可听声

• 可听声是人类能够感知到的声音。
• 人耳的可听频率范围约为 20 赫兹至 20,000 赫兹。
• 因此，人耳听觉范围的下限和上限分别是 20 赫兹和 20,000 赫兹，即 20 千赫。

产生可听声的条件

物体必须每秒至少振动 20 次才能发出可听的声音。换句话说，物体要发出可听的声音，其频率必须至少为 20 赫兹。

有些动物可以听到频率为 20,000 赫兹或更高的声音。狗具有这种能力。狗能听到警察使用的警报器的高频声，而人却听不到。

次声波

• 次声波的频率太低，人耳无法感知。
• 次声波是指频率低于 20 赫兹的声音。
• 犀牛可以发出频率低于 20 赫兹的次声波。它们也有次声听觉。
• 例如，一个简单的铅锤振荡会产生声音。
• 然而，我们听不到简单铅锤共振时的声音。
• 这是因为简单铅锤的频率非常低。
• 频率产生的范围低至 2 到 3 赫兹。
• 人耳无法捕捉如此低频率的声音。
• 这是一种不可听声，即无法听到的声音。
• 从这个例子中，我们可以推断出并非所有振动的物体都会发出可听的声音。
• 我们也可以说，在这个实验中，铅锤的声音是次声波。

超声波

• 超声波是指频率过高，人类无法听到的声音。
• 超声波是指人类无法听到的声音，例如频率为 50,000 赫兹的声音。
• 人类既不能产生也不能听到超声波。然而，某些动物既能产生也能听到超声波。
• 另一个例子是蝙蝠尖叫声的极高频率，远超我们的听觉范围。它们属于超声波范围，所以我们听不到。
• 狗、猴子、鹿和豹子是能够检测超声波的动物中的一些。一些狗主人会使用一种特殊的警报器，其高频只有狗能听到，因为它们能感知超声波。
• 此外，为了与他们的狗交流，刑警会使用特制的能发出超声波的高频警报器。
• 由于其高频，超声波比普通声音具有更强的穿透能力。
• 当超声波被反射时会产生回声，就像普通声波一样。但人类听不到超声波产生​​的回声。它们只能通过专门的工具来定位。
• 如今，超声波在各种事物中都有应用。以下是一些超声波的应用：
  • 医学技术使用超声波作为诊断工具来检查人体。
  • 使用超声波研究胎儿在母体内的发育。
  • 它们被用于治疗关节炎和肌肉疼痛。
  • 它被用来测量海洋的深度。
  • 它还被用来寻找水下物体，包括潜艇、沉船和鱼群。
  • 应该记住，次声波和超声波的传播速度与可听声波相同。

示例问题

1. 列出可听声和不可听声之间的区别。

2. 声音能穿过真空传播吗？

声音不能在真空中传播。真空是指大部分物质已被移除的地方。例如，在太空中听不到任何声音。

3. 什么是不可听声和可听声？

不可听声是指频率低于 20 赫兹或振动频率低于每秒 20 次的声音。人耳无法感知这些声音。

可听声是人类能够感知到的声音。可听频率范围是 20 赫兹至 20,000 赫兹。

4. 超声波有哪些应用？

超声波的应用包括：

• 它被用来测量海洋的深度。
• 它们被用于治疗关节炎和肌肉疼痛。
• 使用超声波研究胎儿在母体内的发育。
• 医学技术使用超声波作为诊断工具来检查人体。
• 它还被用来寻找水下物体，包括潜艇、沉船和鱼群。