U2 声现象
U2-1 声音的产生与传播¶
U2-1-1 声音的产生¶
进入本框题前，先做一个实验。
不难发现，橡皮筋在发出声音时，橡皮筋在振动；说话时声带也在振动。
大量的观察、分析表明：声音是由物体的振动产生的。
也就是说，振动可以发声。振动开始，发声开始；振动停止，发声停止。
我们把正在发声的物体叫做声源。
在人类生活中，智慧的人们发明了许多记录声音的工具。例如：留声机、唱片、磁带、存储卡等。这些工具的本质都是将发声体的振动规律记录下来，需要回放声音时就按照记录的振动规律去振动，这样就可以产生和原来一样的声音。
U2-1-2 声音的传播¶
在该演示实验中，随着玻璃罩内的空气被逐渐抽出，闹钟发出的声音也逐渐变小。
但由于条件限制，在地球上无法达到绝对的真空（玻璃罩内完全没有气体），故始终能够听到细微的闹钟声。
此时我们需要用到一个实验方法：理想实验法（也叫科学推断法）。
Note
顾名思义，理想实验法就是假设实验达到理想条件，推断实验的结果。
在真空罩实验中，假设真空罩内的气体完全被排出，达到了理想的真空状态，那么可以猜测闹钟发出的声音可以彻底消失。
因此可以推断出：真空不能传声。
这个实验告诉我们，我们平常听到的声音是空气传送给我们的。如果没有空气，例如在太空中，无论距离有多近，航天员也只能通过无线电交流。
声音是怎样在空气中传播的呢？上一节中提到，声音是由于物体的振动产生的。物体的振动带动了周围的空气振动，将空气周期性地压缩，形成了疏密相间的波动。这样的波动和水波传播的过程类似。声音是以波的形式传播的，我们把传递声音的波叫做声波。
做个小实验
找一段管子（栏杆、扶手等），一个同学耳朵紧贴管子的一端，另一个同学在管道的另一端轻轻敲击（自己不能听到敲击声）。实验可以得出什么结论？
除了空气（气体）外，管道（固体）也能传播声音。不仅仅气体、固体可以传播声音，液体也可以传播声音。举个例子，假设有一个鱼缸，里面有几只金鱼。我们站在旁边拍手，鱼儿会受到惊吓。
大量实验表明：声音传播需要介质，物理学中把这样的物质叫做介质。真空不能传声。
U2-1-3 声速¶
声速表示声音每秒内传播的距离。
声速的大小由介质的种类和介质的温度决定。
回声是声音在传播过程当中遇到障碍物被反射回来的现象。
当声音和回声的间隔时间达到 \(0.1s\) 以上时，人们能把回声和原声区分开。
做个小实验
这一次，找一根长长的铁质管子（ \(37m\) 左右，这个长度恐怕只能理想实验了），然后还是一个同学耳朵紧贴管子的一端，另一个同学在管道的另一端稍大力敲击，让另一端的同学能够听到空气中传播的声音。观察现象，得出什么结论？
声音在铁管中的声速和在空气中的声速是不同的，在铁管中的声速大于在空气中的声速。
补充
为什么要要求铁管长度达到 \(37m\) 呢？查阅教材30页小资料可以发现，声音在 \(15°C\) 的空气中的声速是 \(340m/s\)，在铁管中的声速大约是 \(5200m/s\) 。人类区分两次声音的反应时间是 \(0.1s.\)
不妨设铁管的长度为 \(x\) ，可列出如下方程：
\(\dfrac {x} {340m/s} - \dfrac {x} {5200m/s} = 0.1s\)
解得： \(x \approx 36.3786m\)
所以当铁管的长度达到 \(37m\) 时，人类就可以分辨出两次声音。
U2-2 声音的特性¶
U2-2-1 音调¶
音调我们都很熟悉。「歌手2024」中，亚当兰伯特演唱的《Whataya Want from Me》的最高音达到了E5；音乐课上，我们学习了do re mi fa so la ti；简谱中，通常使用在数字「1」上方加一个点的方式来表示「高音do」，等等。这么多的表示方法，如果没有一个统一的、绝对的物理量来表示音调，音乐世界将会陷入混乱。这个物理量就是频率。
做个小实验
物体振动得越快，音调就越高；振动得越慢，音调就越低。物体振动的快慢决定着音调的高低。
我们用频率来描述物体振动的快慢。频率越高振动越快音调越高，频率越低振动越慢音调越低。
频率的单位为赫兹（符号为 \(f\) ），简称赫，符号为 \(Hz.\)
假设物体在一段时间（ \(t\) ）内振动的总次数为 \(N\) ，那么有： $$ f = \frac {N} {t} $$
频率在数值上等于物体在 \(1s\) 的时间里振动的次数。
音调五字真言
发声体越「短、细、紧、轻、薄」，音调越高。
人类能够感受到的声音频率大约在 \(20Hz \sim 20 \ 000Hz\) 之间。超过 \(20 \ 000Hz\) 的声叫做超声波。低于 \(20 Hz\) 的声音叫做次声波。
声音、超声波、次声波统称为声。
补充：物体的「固有频率」
物体的固有频率，也称为自然频率（natural frequency），是物体在自由振动时所具有的特定频率。这个频率与外界条件无关，仅由物体本身的特性（如质量、形状、材质等）决定。物体的固有频率可以有多个，从低频到高频，例如4.2Hz、8.3Hz、25Hz、120Hz等。当外界的振动频率与物体的某个固有频率相近或相同时，会引起物体在该频率上的振动加剧，这种现象称为共振。
U2-2-2 响度¶
生活中的声音有大有小。在物理学中，声音的强弱叫做响度。
物理学中用振幅来描述物体振动的幅度。振幅越大，产生的声音的响度越大。
人听到的声音是否响亮，取决于发声体发声时的振幅大小和人距离发声体的远近。因为声音是向四面八方传播的，越到远处越分散。所以距离发声体越远，听到的声音越小。
波形图中，波形的波动幅度反映振幅的大小。波形波动幅度越大，振幅越大，响度越大；波形波动幅度越小，振幅越小，响度越小。
U2-2-3 音色¶
音色，顾名思义，是声音的特色。在音乐课上，我们往往会通过聆听乐器的“音色”来判断乐器种类。我们知道，不同的乐器有不同的音色。
事实上，音色往往由发声体的材料、结构和振动方式等因素决定。
在波形图中，音色是由波的形状反映的。
下图展示了几种常见乐器的波形图。
可以看到，三种乐器发出的声音的响度（波形的波动幅度）和音调（波形的疏密程度）是相同的，而音色（波形的形状）不同。
U2-3 声的利用¶
U2-3-1 声与信息¶
声可以传递信息。常见地，日常生活里人与人的声音交流，就是一种传递信息的方式。除了声音外，其它类型的声也可以传递信息。例如，地震来临时，会有次声波产生，一些对次声波敏感的动物就会有所反应。医生也可以利用超声波和电脑，来准确地获得人体内的图像信息，从而诊断疾病。
下面是几个常见的利用声来传递信息的例子。
蝙蝠的回声定位、倒车雷达、B型超声波（B超）、超声测裂纹等。
U2-3-2 声与能量¶
声可以传递能量。成语“震耳欲聋”就是一个典型的例子。声波的本质就是发声体的振动激发的介质的规律振荡，而有质量的介质在振荡时就可以将能量传递下去。
下面是几个常见的利用声来传递能量的例子。
超声波清洗器、超声波治疗结石、相同频率的音叉共振。
声传递信息的判断
在实际试题考察中，往往会让同学们判断声传递的是信息还是能量。其中，判断传递信息的情况会复杂一些。如果发声的目的是为了获取一些信息（深度、高度、宽度、距离、语言文字等），那么就说明声传递了信息。
U2-4 噪声的危害和控制¶
U2-4-1 噪声的来源¶
从物理学角度讲