声学
什么是声学?
声学是研究声音的物理学,研究内容包括声信号的产生、传输和检测等所有与之相关的多物理学科。这里提到的声音不仅仅是人耳能够听的声音,还包括次声波和超声波;即频率低于和高于人类听觉范围的声波传播。不仅如此,声音的定义还包括在空气以外的介质中的传播,可以是固体中的弹性波(振动),液体中的压力波(如水声学),也可以是多孔材料中的组合传播(多孔弹性波)。
对于人类来说,对声音的最佳理解是将其视为一种感觉,通过耳朵感知声压p 在某个静态值上下非常微小而快速的变化,这个静态值为大气压(在海平面上约为 10 万帕)。这就是听力,人耳能够检测到的压力微小变化的幅度大约介于 20·10-6Pa(听阈)到600 Pa(喷气发动机噪音)之间。通常人类语音的幅值约为 0.02 Pa。一般将幅值以对数分贝刻度给出,相对于 20·10-6Pa(或20 µPa)的听阈进行定义(单位为 dB SPL)。这种对数刻度很自然地可以将声音按照人类听觉系统感受响度的方式进行分类。声压级 定义如下
其中, 为测得的均方根(RMS)声压, = 20 µPa 为空气中常用的参考压力(也称 RMS 值)。在水声学中,通常使用 1 µPa 作为参考值。
下图给出了不同情况下的典型(宽带)声压级示例。在指定声压级时,指定参考压力、与声源的距离、测量的带宽以及可能的加权函数非常重要。根据经验,每当与声源的距离增加一倍时,声压级下降 6 dB。这称为反距离定律。
分贝刻度,演示了不同情况下的声压级。这些值是在声源附近测量的典型宽带值(如果没有另行说明)。分贝刻度,演示了不同情况下的声压级。这些值是在声源附近测量的典型宽带值(如果没有另行说明)。
波既可以传播,可以驻留,也可以是两者的组合。下图显示一个驻波和一个行波,其中波峰表示压力最大值,波谷表示压力最小值。
驻波(上)和行波(下)的表示图。
波的传播速度为声速(SI 单位:m/s),其值与传播声波的材料本身的压缩率(SI 单位:m2/N 或1/Pa)和密度(SI 单位:kg/m3)有关,用 表示。空气中的声速约为 343 m/s,水中的声速约为 1485 m/s。具体的取值取决于环境温度、压力,以及其他变量。
为了更好地理解驻波和行波的性质,将与波相关的空气分子的运动进行可视化可以直观地说明问