声音的物理属性及多普勒效应

2023-12-01 理论教育版权反馈

【摘要】：声音的物理属性声音的形式是多种多样、丰富多彩的，但是实际上，它们都是源自于物体的振动。振动发声的物体被称为声源。有声波传播的空间被称为声场。在声音的物理属性中，声速、波长、振幅和相位是其中非常重要的几个因素。这种由于声源和观察者之间相对运动而产生的音调的改变，叫作多普勒效应。

声音的物理属性

声音的形式是多种多样、丰富多彩的，但是实际上，它们都是源自于物体的振动。物体的振动引起空气波动使得空气粒子交替地形成压缩区和稀疏区，从而形成了声波现象。空气中这样一疏一密地振动传播的波就被称为声波。振动发声的物体被称为声源。有声波传播的空间被称为声场。声波以一定的速度从声源的发声地向各个方向传播开来，就形成了波动。这就如同水面波的传播：当我们将一块石子投入平静的水面中时，水波就会从石子的投入点扩散开去。

在水面波传播的过程中，水中的粒子本身并不会随水波一起扩散，而只是在平衡位置振动。同样的，声波在传播时，空气粒子也不随声音的扩散而扩散。实质上，空气粒子只是通过粒子之间的弹性交联将能量传播出去。因此，不存在任何振动粒子的真空环境是不能传递声波的，人类在真空中也听不到任何声音。

而与水波不同的是，水波的振动方向与其传播方向是互相垂直的，因此，水波是横波；而声波在空气中的振动方向与其传播方向是一致的，因此，声波是纵波。

除了在空气中，在固体和液体中也能传播声音。而且，因为固体和液体对于声波的阻力比较小，所以声音在大部分固体和液体中传播要比在气体中传播得快。

在声音的物理属性中，声速、波长、振幅和相位是其中非常重要的几个因素。

声速

声音在传播过程中，每秒钟传播的距离就称为声速。声音在不同的传播介质中的声速是不同的。声速主要是取决于传播介质的密度与温度，而与声源的频率及强度无关。在整个音频范围内，声速总是保持着固定值。在1个标准大气压下，声音在0℃的空气中传播的速度是331.4m／s。同时，空气的温度越高，声速就越快。温度每上升或者下降1℃，声速就相应地加快或者减慢约0.607m／s。由此，在1个标准大气压、温度为15℃下，声速约等于340.5m／s。相对于温度的影响，湿度对于声速的影响是微不足道的。在湿润空气中的声速要比在干燥空气中的声速稍快一点。声音在固体中的传播速度最快，其次是液体，最后是气体。传播介质的密度越大，声速就越快。

波长

振动粒子完成一次完整的振动过程所经过的距离就称为波长。如图01所示，相邻的两个波峰之间的距离就是波长。