聲現象 · SoundLab

聲音的產生

用橡膠錘敲一下音叉，再把它靠近懸掛的乒乓球：乒乓球被一次次彈開。音叉的振動很快、幅度很小，眼睛看不清，乒乓球把它放大了——這種方法叫轉換法。

敲鼓時，鼓面上的紙屑會跳起來。用手握住音叉或按住鼓面，振動停止，聲音也隨之消失。

聲音是由物體的振動產生的

正在發聲的物體叫聲源。固體、液體、氣體都可以振動發聲：說話靠聲帶振動，笛子靠空氣柱振動，流水聲靠水的振動。

聲音的傳播

把正在響的電鈴放進玻璃罩，用抽氣機逐漸抽出罩內的空氣：氣壓計的示數越來越小，鈴聲越來越輕，可以看到小錘還在敲，卻幾乎聽不見了。再讓空氣進入罩內，鈴聲又變大。

罩內不可能抽成絕對的真空，電鈴還通過底座傳出一點點聲音。由此推理：如果罩內完全沒有空氣，就聽不到鈴聲了——

聲音的傳播需要介質，真空不能傳聲

打開“聲波”視圖，看罩內的空氣粒子越來越稀，傳出罩外的聲波越來越弱。宇航員在太空中只能靠無線電交談。

聲速

同時讓聲音沿三條 1.2 m 長的路跑：一根鋼管、一槽水、一段空氣。終點的感測器接到示波器上，記下聲音到達的時刻。畫面是放慢一千多倍的。

v = s / t

聲音在鋼裡最快（約 5200 m/s），在水裡約 1500 m/s，在 15 °C 的空氣裡約 340 m/s：一般情況下固體中的聲速 > 液體中 > 氣體中；空氣越熱，聲速越大。

在一根很長的鐵管一端敲一下，另一端的人能聽到兩次聲音：第一次來自鐵管，第二次來自空氣。

音調高低

把鋼尺緊按在桌面上，一端伸出桌邊，撥動它。改變伸出的長度，保持撥動的力度不變（控制變量）：伸出越短，振動越快，發出的聲音越尖。

物體每秒振動的次數叫頻率，單位是赫茲（Hz）。示波器上波形越密，頻率越高。

頻率越高，音調越高

人耳能聽到的聲音頻率範圍大約是 20 Hz – 20000 Hz。低於 20 Hz 的叫次聲波，高於 20000 Hz 的叫超聲波。把鋼尺伸出很長再撥，能看到它在振動，卻聽不到聲音。

響度

用不同的力度敲鼓：用力越大，鼓面振動的幅度越大，紙屑跳得越高，聲級計的讀數越大。

物體振動的幅度叫振幅。聲音的強弱叫響度，常用分貝（dB）表示。

振幅越大，響度越大

響度還跟距發聲體的遠近有關：把聲級計移遠，讀數變小——聲音傳播時逐漸分散。用喇叭、聽診器把聲音集中起來，可以減少分散、增大響度。

音色

用不同的發聲體發出同一個音（例如 A4 = 440 Hz），示波器上的波形疏密相同（頻率相同，音調相同），但形狀不同。

不同發聲體的材料、結構不同，發出聲音的音色（音品）也就不同。音叉的聲音幾乎是純正弦波；鋼琴、尤克里里的聲音裡除了基音，還混著許多泛音，右邊的小圖畫出了各次諧波的強弱。

我們“聞其聲知其人”、聽出是哪種樂器在演奏，靠的就是音色。

音調 · 響度 · 音色——聲音的三個特性

回聲 · 聲的利用

聲音遇到障礙物會被反射回來，形成回聲。回聲到達人耳比原聲晚 0.1 s 以上，人才能把它和原聲區分開，所以障礙物至少要在 17 m 外。

超聲測距儀的探頭發出一串 40 kHz 的超聲波，再接收擋板反射回來的回聲。量出往返時間 t：

s = v t / 2

蝙蝠靠回聲定位捕食，漁船用聲吶探測魚群，醫生用 B 超看體內的器官——聲音可以傳遞訊息；超聲波清洗眼鏡、擊碎結石——聲音可以傳遞能量。軟的、多孔的材料能吸收聲音，回聲就很弱。

噪聲的危害和控制

從物理學角度看，噪聲是發聲體做無規則振動時發出的聲音；從環境保護角度看，凡是妨礙人們正常休息、學習和工作的聲音都是噪聲。

人們用分貝（dB）表示聲音的強弱等級：30–40 dB 是較理想的安靜環境；超過 50 dB 會影響休息；超過 70 dB 會干擾談話；長期生活在 90 dB 以上會損害聽力。

防止噪聲產生 · 阻斷噪聲傳播 · 防止噪聲進入耳朵

摩托車裝消聲器、在聲源處罩上隔音罩；公路旁建隔音牆、種樹；工人戴上耳罩——對應控制噪聲的三個環節。

隨堂檢測