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电声设计培训教材之一 声学基础 声波（Sound Wave） 所谓声波，实质上就是振动在介质（如空气、水、固体等）中的传播。我们研究在一根无限长均匀管的一端，安装一个平面活塞，此活塞在一个周期力的作用下来回运动的情况。（图１－１） 当活塞来回运动时，将带动管中紧贴活塞的空气层质点产生运动。当活塞向右运动时，使空气层质点产生压缩，空气层的密度增加，压强增大，使空气层处于“稠密”状态；活塞向左运动时，则空气层质点膨胀，空气层的密度将减小，压强亦将减小，使空气层处于“稀疏”状态。活塞不断地来回运动，将使空气层交替地产生疏密的变化。由于空气分子之间的相互作用，这种交替的疏密状态，将由近及远地沿管子向右传播。这种疏密状态的传播，就形成了声波。 频率（Frequency） 声源在一秒中内振动的次数，记作f，单位为赫兹（Hz）。 人耳能听得见的声波的频率范围为20～20000Hｚ，称为可闻声或音频声，简称声音。低于20Hz的声波，称为次声。虽然人耳听不到，但可用仪器接收到，它在研究热带风暴、地震及核爆炸等方面有广泛的应用。高于20000Hz的声波称为超声，它在无损探伤、切割、诊断、水下探测等方面，均有广泛的应用。 虽然在自然界中能产生单频率的声源很少，大多数声源的振动是一个很复杂的过程，产生的大多为复合音。但是，我们可以用频谱分析的方法，把一个复合音分解为一系列幅值不同的单频声的组合。因此研究单频声具有基础性的意义，而频率则是描述单频声的一个重要物理量。 在音响和通信中所涉及的声波，就是人耳能感知的音频声。而研究音频声的拾取、重放、传播及传播过程中的各种物理现象的科学，就称为音频声学。 周期（Period） 声源振动一次所经历的时间，记作T，单位为秒（s）。 T = 1/f 波长（Wave Length） 沿声波传播方向，振动一个周期所传播的距离，或在波形上相位相同的相邻两点间距离，记作λ，单位为米（m）。 声速（Sound Speed） 声波每秒在介质中传播的距离，记作c，单位为米/秒（m/s）。 声速与传播声音的介质和温度有关。固体介质、液体介质和气体介质三者之中，固体介质中的声速最快，液体次之，气体最慢。例如：钢铁中约为6100m/s；水中约为1480m/s；空气中约为344m/s（常温下）。 在空气中，声速（c）和温度（t）的关系可简写为： c = 331.4+0.607t 频率f、波长λ和声速c三者之间的关系是: ｃ＝·ｆ 在空气中，不同频率的声波，具有相同的传播速度。在常温常压下，1000Hz的声波波长为0.344米；100Hz的声波波长为3.44米等等。 气压（Air Pressure） 大气静止时的压强即为大气压强。 1标准大气压 ＝ 帕 ≈ 1 巴 声压（Sound Pressure） 当有声波存在时，局部空气产生稠密或稀疏。在稠密的地方，压强将增加，在稀疏的地方压强将减小；这样，就在原有的大气压上又附加了一个压强的起伏波动。这个压强的起伏波动是由于声波的作用而引起的，所以称它为声压，记作，单位为帕（Pa）。 声压单位：过去常用微巴（μbar），现在国际上统一用帕（帕斯卡/Pascal/Pa） 1 帕 ＝ 1 牛顿/米2 1 微巴 ＝ 0.1 帕 1 巴 ＝ 105 帕 声压的大小与物体（如前述的活塞）的振动状态有关；物体振动的振幅愈大、则压强的起伏也愈大，声压也就愈大。然而，声压与大气压强相比，是及其微弱的。 存在声压的空间，称为声场。声场中某一瞬时的声压值，称为瞬时声压。在一定的时间间隔中最大的瞬时声压值，称为峰值声压。如果，声压随时间的变化是按简谐规律的，则峰值声压就是声压的振幅。瞬时声压对时间取方均根值，即 称为声压的有效值或有效声压。T为取平均的时间间隔。它可以是一个周期或比周期大得多的时间间隔。一般用电子仪器所测得的声压值，就是声压的有效值；而人们习惯上所指的声压值，也是声压的有效值。 声强（Sound Intensity） 声波实质上是振动在介质中的传播。声振动包括两个方面；一方面使介质质点在平衡位置附近来回振动；另一方面又使介质产生疏密的过程。前者使介质具有振动动能，后者使介质具有形变势能；而此两者的和，就是介质所具有的声能量。因此，声波的传播也可以说是声能量的传递。 在单位时间内，通过垂直于声传播方向的单位面积的平均能量，称为声强，记作I，单位为瓦/米2（W/m2）。 应当指出，声强是一个有大小和方向的物理量，即是一个矢量，它表示着声音传播的方向和强度。 对于平面波和球面波，在声波的传播方向上，声强与声压的关系为； 式中：为大气密度，且（常温常压下）；ｃ为声波空气中的传播速度，且ｃ＝344ｍ/ｓ（常温常压下）。 声功率（Sound Power） 声源在单位时间内