??????? 2.2振動與聲
??????? 我們向平靜的湖水水面投下一顆小石子，可以看到以石子投入點為中心的水波向周圍傳播開去，如圖1所示。這是由于小石子打擊湖水，使其石子周圍的水發(fā)生了振動，水的振動又牽連到臨近水的振動，于是水波就由近及遠(yuǎn)的傳播出去了。以石子為中心高出水面的近似同心圓的部分最高點叫波峰，凹下去的最低點叫波谷。表面上看起來，好像水以石子為中心傳到遠(yuǎn)出去了，其實不然，水分子只是在原地上下振動，與波的傳播方向垂直，這種波叫橫波。
??????? 我們敲擊一下圖2中的音叉，它就會一來一往地擺動，人的眼睛是看不見這種擺動的，只能聽見清脆悅耳的聲音。這個有規(guī)律的擺動叫振動。音叉往返一次算作一次振動，每秒鐘振動的次數(shù)叫頻率，用f來表示，單位是赫（HZ）。人的耳朵能聽見的聲音頻率是20～20000赫，低于20赫德聲波叫次聲波，高于20000赫的聲波叫超聲波，人的耳朵聽不見次聲波和超聲波。
??????? 如圖2所示，當(dāng)音叉向右邊振動時，右邊臨近處的空氣受到擠壓，形成一個密集A，這個密集A的空氣又去擠壓右邊臨近B處的空氣，使B處的空氣又趨向于密集。
??????? 當(dāng)音叉向左邊振動時，留給右邊一個空隙，A處的空氣就充滿這個空隙，突然變得稀了，形成一個稀疏。這時B處的空氣已經(jīng)成為一個密集，B處的空氣繼續(xù)向右擠壓，使C處的空氣趨向密集。如此疏、密相間，將音叉的振動以聲波的形式由近及遠(yuǎn)地傳播。疏密相間的變化方向與波的傳播方向一致，我們把這種波叫做縱波。
??????? 總之，振動的物體是聲音的聲源，振動在彈性介質(zhì)（氣體、固體和液體）中，以波的方式進(jìn)行傳播，這個彈性波就叫聲波。
??????? 在聲波中，兩個相鄰的密集或兩個稀疏之間相同位置的距離叫波長，用λ表示，單位是米（m）。聲波波長λ，聲速c，頻率f是聲波的三個基本量，它們之間的關(guān)系為
??????? (1)
??????? 在常溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣中的聲速是344m/s。
??????? 2.3聲波的傳播特性
??????? 2.3.1聲波的反射、折射、繞射和干涉
??????? 當(dāng)聲波遇到障礙物時，就像光照射在鏡子上一樣，會發(fā)生發(fā)射。實驗證明，當(dāng)聲波波長比障礙物表面尺寸小時，很容易地就被反射回去，并且在障礙物后面形成一個聲影區(qū)。高頻聲波的波長短，比低頻聲波更容易反射。由于反射聲的存在，會使原來的聲音加強；當(dāng)我們在一個山谷中大喊一聲后立即停止，短時間內(nèi)我們還能聽到自已的喊聲，這種現(xiàn)象通常叫回音，在聲學(xué)里叫混響聲。
??????? 聲波在傳播過程中，遇到不同物資的界面時，如從空氣入射到鋼板上，除了反射外，還將有聲波進(jìn)入鋼板里，這種現(xiàn)象叫折射。就是同一種物資在存在溫差時聲波也將發(fā)生折射現(xiàn)象。
??????? 聲波在傳播過程中，遇到障礙物或小孔，當(dāng)波長比障礙物或小孔的尺寸大得多時，會發(fā)生繞射現(xiàn)象。如34.5～345赫的低頻聲波，波長約為1～10米，所以很容易繞射過去。墻上若有小孔洞，小心低頻“漏聲”。
??????? 聲波在傳播時，還可以互相疊加，這叫做聲波的干涉。當(dāng)兩列頻率相同的聲波以相同的相位達(dá)到空間某點時，兩個聲波被加強，合成振幅為兩個聲波振幅之和；當(dāng)兩波相位相反時，則相互減弱或完全抵消，合成振幅為兩列聲波振幅之差。
??????? 2.3.2聲波的輻射和衰減
??????? 當(dāng)聲源的尺寸與波長比較起來很小的時候，聲波成球面波的形狀從聲源較均勻地向四面八方輻射，沒有確定的方向，這種聲源叫做點聲源。當(dāng)聲源的尺寸大于聲波的波長時，輻射出的聲波以略微發(fā)散的聲束傳播。
??????? 在大多數(shù)實際情況下，可以近似地認(rèn)為聲波在聲源附近具有球面波的形狀。球面波的強度與離開聲源距離的平方成反比而降低。這是因為聲源每秒鐘發(fā)出的能量是一個衡量，離開聲源距離越大，能量的分布球形面積也越大，因此，通過單位面積的能量就越小，即是距聲源距離越近，聲音越強，距聲源距離越遠(yuǎn)，聲音越弱的原因。這叫做聲波的距離衰減。
??????? 2.4聲波的物理參數(shù)
??????? 從以上的敘述可知，聲音有大小、強弱之分，那么用甚么方法來衡量聲音的大小呢？
??????? 2.4.1聲壓與聲壓級
??????? 聲波是由于空氣受振動而產(chǎn)生的，它使某一空間空氣時而密度變大，時而密度變小?？諝饷芏仍黾?，壓強就升高；空氣密度變小，壓強就降低，因此，聲波使大氣壓發(fā)生了迅速起伏變化。這個使大氣壓發(fā)生變化的部分叫做聲壓。聲壓越大，聲音越強，聲壓越小，聲音越弱。聲學(xué)家們就用聲壓來衡量聲音的大小，常用字母p來表示，單位是牛頓/米2（N/m2）。
??????? 正常人能聽到最弱的聲音的聲壓大約是2×10－5N/m2(稱聽閾聲壓)，一般談話聲的聲壓是2×10－2～7×10－2N/m2，跑著的汽車的聲壓是0.2～1N/m2，電廠球磨機運行時的聲壓是20N/m2，這種高聲壓使人耳朵聽起來感到疼痛的感覺（稱痛閾聲壓）。從聽閾聲壓到痛閾聲壓相差1000000倍，作為一個計量單位，使用起來很不方便，人們便引用了一個成倍比關(guān)系的對數(shù)量，即用“級”來表示聲音的大小，稱為聲壓級。
??????? 聲壓級的單位叫分貝（dB）,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
??????? (2)
??????? 式中Lp-----聲壓級，dB；
??????? p------聲壓，N/m2；
??????? po------基準(zhǔn)聲壓，2×10－5N/m2(1000赫的聽閾聲壓)。
??????? 將人能聽到的最弱聲壓（聽閾聲壓）、一般談話聲壓、跑著的汽車聲壓、運行磨煤機的聲壓分別代入公式（2），可計算出它們的聲壓級分別是0、70、80～90及120dB。即將1000000倍的聲壓變化范圍，改寫為0～120dB的變化范圍，僅僅是表示方式的不同，聲壓的本質(zhì)未變。
??????? 2.4.2聲強、聲強級、聲功率、聲功率級
??????? 由于聲波是空氣中的機械振動形成的，它具有一定的能量，所以常常也用能量的大小來表示聲波輻射的強弱，于是就引出了聲強和聲功率兩個物理量。
??????? 聲強是在聲音傳播的方向上，單位時間內(nèi)通過單位面積的聲能量，通常用字母I來表示聲強，單位是瓦/m2(W/m2)。
??????? 聲功率是聲源在單位時間內(nèi)輻射出的總聲能量，通常用字母W來表示，單位是瓦（W）。
??????? 聲強和聲功率與聲壓的表示方法一樣，也用“級”來表示，即聲強級和聲功率級，其單位也是分貝（dB），它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式是
??????? 聲強級（3）
??????? 式中LI-------聲強級，分貝（dB）；
??????? I--------聲強，瓦/米2(W/m2)；
??????? I0-------基準(zhǔn)聲強，10-12瓦/米2（W/m2）。
??????? 聲功率級（4）
??????? 式中LW-------聲功率級，分貝（dB）；
??????? W--------聲功率，瓦/米2(W/m2)；
??????? W0-------基準(zhǔn)聲功率，10-12瓦（W）。
??????? 為了對聲功率和聲功率級有比較直觀的理解，有下面幾個例子。小電鬧鐘的聲功率級是40dB，聲功率為10-8瓦；一般談話的聲功率級是70dB，聲功率為10-5瓦；汽錘的聲功率級是120dB，聲功率為1瓦；噴氣式飛機的聲功率級是160dB，聲功率為10000瓦。
??????? 2.5聲壓級、聲強級、聲功率級的區(qū)別
??????? 雖然聲壓級、聲強級和聲功率級都是描述聲音強弱的物理量，但也是有區(qū)別的。從上述Lp、LI、LW的定義可知，三者的物理意義完全不同，它們是從不同的角度來描述聲音的大小。聲壓級和聲強級它們說明的是確定的聲源在聲場空間中距離聲源某一定距離的點上聲波作用的大小的度量，距離聲源的距離不同，則數(shù)值不同；聲功率級是聲源在單位時間內(nèi)向聲場空間輻射的總聲能量的度量，與距聲源的距離無關(guān)。