??????? 2.2振動(dòng)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(diǎn)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(dòng)，水的振動(dòng)又牽連到臨近水的振動(dòng)，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(diǎn)叫波峰，凹下去的最低點(diǎn)叫波谷。表面上看起來(lái)，好像水以石子為中心傳到遠(yuǎn)出去了，其實(shí)不然，水分子只是在原地上下振動(dòng)，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(huì)一來(lái)一往地?cái)[動(dòng)，人的眼睛是看不見這種擺動(dòng)的，只能聽見清脆悅耳的聲音。這個(gè)有規(guī)律的擺動(dòng)叫振動(dòng)。音叉往返一次算作一次振動(dòng)，每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)叫頻率，用f來(lái)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(dòng)時(shí)，右邊臨近處的空氣受到擠壓，形成一個(gè)密集A，這個(gè)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(dòng)時(shí)，留給右邊一個(gè)空隙，A處的空氣就充滿這個(gè)空隙，突然變得稀了，形成一個(gè)稀疏。這時(shí)B處的空氣已經(jīng)成為一個(gè)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(dòng)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(dòng)的物體是聲音的聲源，振動(dòng)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(gè)彈性波就叫聲波。
??????? 在聲波中，兩個(gè)相鄰的密集或兩個(gè)稀疏之間相同位置的距離叫波長(zhǎng)，用λ表示，單位是米（m）。聲波波長(zhǎng)λ，聲速c，頻率f是聲波的三個(gè)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(shí)，就像光照射在鏡子上一樣，會(huì)發(fā)生發(fā)射。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)聲波波長(zhǎng)比障礙物表面尺寸小時(shí)，很容易地就被反射回去，并且在障礙物后面形成一個(gè)聲影區(qū)。高頻聲波的波長(zhǎng)短，比低頻聲波更容易反射。由于反射聲的存在，會(huì)使原來(lái)的聲音加強(qiáng)；當(dāng)我們?cè)谝粋€(gè)山谷中大喊一聲后立即停止，短時(shí)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(shí)，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(shí)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(zhǎng)比障礙物或小孔的尺寸大得多時(shí)，會(huì)發(fā)生繞射現(xiàn)象。如34.5～345赫的低頻聲波，波長(zhǎng)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(shí)，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(diǎn)時(shí)，兩個(gè)聲波被加強(qiáng)，合成振幅為兩個(gè)聲波振幅之和；當(dāng)兩波相位相反時(shí)，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(zhǎng)比較起來(lái)很小的時(shí)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(diǎn)聲源。當(dāng)聲源的尺寸大于聲波的波長(zhǎng)時(shí)，輻射出的聲波以略微發(fā)散的聲束傳播。
??????? 在大多數(shù)實(shí)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(qiáng)度與離開聲源距離的平方成反比而降低。這是因?yàn)槁曉疵棵腌姲l(fā)出的能量是一個(gè)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(qiáng)，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(qiáng)弱之分，那么用甚么方法來(lái)衡量聲音的大小呢？
??????? 2.4.1聲壓與聲壓級(jí)
??????? 聲波是由于空氣受振動(dòng)而產(chǎn)生的，它使某一空間空氣時(shí)而密度變大，時(shí)而密度變小。空氣密度增加，壓強(qiáng)就升高；空氣密度變小，壓強(qiáng)就降低，因此，聲波使大氣壓發(fā)生了迅速起伏變化。這個(gè)使大氣壓發(fā)生變化的部分叫做聲壓。聲壓越大，聲音越強(qiáng)，聲壓越小，聲音越弱。聲學(xué)家們就用聲壓來(lái)衡量聲音的大小，常用字母p來(lái)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(jī)運(yùn)行時(shí)的聲壓是20N/m2，這種高聲壓使人耳朵聽起來(lái)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(gè)計(jì)量單位，使用起來(lái)很不方便，人們便引用了一個(gè)成倍比關(guān)系的對(duì)數(shù)量，即用“級(jí)”來(lái)表示聲音的大小，稱為聲壓級(jí)。
??????? 聲壓級(jí)的單位叫分貝（dB）,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
??????? (2)
??????? 式中Lp-----聲壓級(jí)，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(yùn)行磨煤機(jī)的聲壓分別代入公式（2），可計(jì)算出它們的聲壓級(jí)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(qiáng)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率、聲功率級(jí)
??????? 由于聲波是空氣中的機(jī)械振動(dòng)形成的，它具有一定的能量，所以常常也用能量的大小來(lái)表示聲波輻射的強(qiáng)弱，于是就引出了聲強(qiáng)和聲功率兩個(gè)物理量。
??????? 聲強(qiáng)是在聲音傳播的方向上，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的聲能量，通常用字母I來(lái)表示聲強(qiáng)，單位是瓦/m2(W/m2)。
??????? 聲功率是聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總聲能量，通常用字母W來(lái)表示，單位是瓦（W）。
??????? 聲強(qiáng)和聲功率與聲壓的表示方法一樣，也用“級(jí)”來(lái)表示，即聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)，其單位也是分貝（dB），它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式是
??????? 聲強(qiáng)級(jí)（3）
??????? 式中LI-------聲強(qiáng)級(jí)，分貝（dB）；
??????? I--------聲強(qiáng)，瓦/米2(W/m2)；
??????? I0-------基準(zhǔn)聲強(qiáng)，10-12瓦/米2（W/m2）。
??????? 聲功率級(jí)（4）
??????? 式中LW-------聲功率級(jí)，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(duì)聲功率和聲功率級(jí)有比較直觀的理解，有下面幾個(gè)例子。小電鬧鐘的聲功率級(jí)是40dB，聲功率為10-8瓦；一般談話的聲功率級(jí)是70dB，聲功率為10-5瓦；汽錘的聲功率級(jí)是120dB，聲功率為1瓦；噴氣式飛機(jī)的聲功率級(jí)是160dB，聲功率為10000瓦。
??????? 2.5聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)的區(qū)別
??????? 雖然聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)都是描述聲音強(qiáng)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(lái)描述聲音的大小。聲壓級(jí)和聲強(qiáng)級(jí)它們說(shuō)明的是確定的聲源在聲場(chǎng)空間中距離聲源某一定距離的點(diǎn)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(jí)是聲源在單位時(shí)間內(nèi)向聲場(chǎng)空間輻射的總聲能量的度量，與距聲源的距離無(wú)關(guān)。