声学震动原理是什么?

【专家解说】：声波 声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着,我们把它叫做声波.声波借助各种媒介向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。声音是指可听声波的特殊情形，例如对于人耳的可听声波，当那种阵面波达到人耳位置的时候，人的听觉器官会有相应的声音感觉。 除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们都是声波的良好媒质。在真空状态中声波就不能传播了。 正弦波是最简单的波动形式。优质的音叉振动发出声音的时候产生的是正弦声波。 正弦声波属于纯音。任何复杂的声波都是多种正弦波叠加而成的复合波，它们是有别于纯音的复合音。正弦波是各种复杂声波的基本单元。 扬声器、各种乐器以及人和动物的发音器官等都是声源体。地震震中、闪电源、雨滴、刮风、随风飘动的树叶、昆虫的翅膀等各种可以活动的物体都可能是声源体。它们引起的声波都比正弦波复杂，属于复合波。地震产生多种复杂的波动，其中包括声波，实际上那种声波本身是人耳听不着的，它的频率太低了(例如1Hz)。 人对声音的感觉有一定频率范围，大约每秒钟振动20次到20000次范围内，即频率范围是20Hz--20000Hz，如果物体振动频率低于20Hz或高于20000Hz人耳就听不到了，高于20000Hz的频率就叫做超声波，而低于20Hz的频率就叫做次声波。所以说不是所有物体的振动所发出的声音我们都能听到的。另外要能听到声音也必须有传播声音的介质。 声波是大气压力之外的一种超压变化。 空气粒子振动的方式跟声源体振动的方式一致，当声波到达人的耳鼓的时候就引起耳鼓同样方式的振动。驱动耳鼓振动的能量来自声源体，它就是普通的机械能。不同的声音就是不同的振动方式，它们能够起区别不同信息的作用。人耳能够分辨风声、雨声和不同人的声音，也能分辨各种言语声，它们都是来自声源体的不同信息波。 言语声是按人类群体约定的方式使用的，它包含语言学信息。人们以同样方式来使用言语声才能够达到互相理解的目的。反复不断的交际活动和交际过程中的趋同作用使那种约定能够不断持续下去。幼儿是通过交际学会使用那种约定好的言语声的。那种约定也会在几代人长期过程中逐渐改变，语言也就有了演变。三世、四世同堂的家庭中已经可以觉察出细微的演变来。 请注意，声波不是冲击波，声波前进的过程是相邻空气粒子之间的接力赛，它们把波动形式向前传递，它们自己仍旧在原地振荡，也就是说空气粒子并不跟着声波前进!同样，在语音研究中要区分气流与声波，它们是两回事。在发音器官里，声带、舌尖或小舌的颤动，以及辅音噪声的形成等，都离不开气流的作用，但是气流不是声波的代名词。所谓“*浊音气流”、“*清音气流”的说法似乎包含了极其含混的意思。 另外，即使没有其他声源体的作用，空气粒子总是在做无规则的震荡，或者说它们总是在骚动，它们激发起微弱的“白噪声”。绝对静寂的大气空间是不存在的。所谓背景噪声还包括自然界或人类生活环境里许多声源体杂乱的声音，对于言语交际来说它们没有信息价值。居室四壁或陡峭的山坡还有回声效应，噪声被放大、被增强了。言语声和它的滞后的回声叠加在一起，变成复杂的回响声。电声仪器设备里也都有白噪声。那种没有通信价值的噪声很强烈的时候人们会心烦意乱。有意思的是，在噪声极小的消声室待久了，人会感到不安宁。音乐中恰当使用沙锤之类的噪声带来的是艺术欣赏价值。人类语言里的许多辅音都包含噪声，它们很重要，能够起区分辅音的作用。 “声源”在空气中振动时，一会儿压缩空气，使其变得“稠密”;一会儿空气膨胀，变得“稀疏”，形成一系列疏、密变化的波，将振动能量传送出去。这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波，称为“纵波”。不过要注意，声波虽然一般是纵波，但在固体中传播时，也可以同时有纵波及横波，横波速度约为纵波速度的50%-60%。在空气中的声波是纵波，原因是气体或液体(合称流体)不能承受切力，因此声波在流体中传播时不可能为横波;但固体不仅可承受压(张)应力，也可以承受切应力，因此在固体中可以同时有纵波及横波。地震波其实就是在地壳中传播的声波(确切讲是次声波)，只是它的频率通常不在我们可听闻的范围内(某些动物则听闻得到) 虽然次声波看不见，听不见，可它却无处不在.地震、火山爆发、风暴、海浪冲击、枪炮发射、热核爆炸等都会产生次声波，科学家借助仪器可以“听到”它。 次声波的传播速度和可闻声波相同，由于次声波频率很低。大气对其吸收甚小，当次声波传播几千千米时，其吸收还不到万分之几，所以它传播的距离较远，能传到几千米至十几万千米以外。1883年8月，南苏门答腊岛和爪哇岛之间的克拉卡托火山爆发，产生的次声波绕地球三圈，全长十多万公里，历时108小时.1961年，苏联在北极圈内新地岛进行核试验激起的次声波绕地球转了5圈。 次声波还具有很强的穿透能力，可以穿透建筑物、掩蔽所、坦克、船只等障碍物.7 000 Hz的声波用一张纸即可阻挡，而7 Hz的次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土.地震或核爆炸所产生的次声波可将岸上的房屋摧毁.次声如果和周围物体发生共振，能放出相当大的能量，如4 Hz~8 Hz的次声能在人的腹腔里产生共振，可使心脏出现强烈共振和肺壁受损。 次声波会干扰人的神经系统正常功能，危害人体健康。一定强度的次声波，能使人头晕、恶心、呕吐、丧失平衡感甚至精神沮丧。有人认为，晕车、晕船就是车、船在运行时伴生的次声波引起的。住在十几层高的楼房里的人，遇到大风天气，往往感到头晕、恶心，这也是因为大风使高楼摇晃产生次声波的缘故。更强的次声波还能使人耳聋、昏迷、精神失常甚至死亡。 从20世纪50年代起，核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得对次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和传播等方面的研究都有了很大的发展，次声的应用也逐渐受到人们的注意.其实，次声的应用前景十分广阔，大致有以下几个方面: 1.研究自然次声的特性和产生机制，预测自然灾害性事件.例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于台风移动速度，因此，人们利用一种叫“水母耳”的仪器，监测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报.利用类似方法，也可预报火山爆发、雷暴等自然灾害. 2.通过测定自然或人工产生的次声在大气中传播的特性，可探测某些大规模气象过程的性质和规律.如沙尘暴、龙卷风及大气中电磁波的扰动等. 3.通过测定人和其他生物的某些器官发出的微弱次声的特性，可以了解人体或其他生物相应器官的活动情况.例如人们研制出的“次声波诊疗仪”可以检查人体器官工作是否正常. 4.次声在军事上的应用，利用次声的强穿透性制造出能穿透坦克、装甲车的武器，次声武器--般只伤害人员，不会造成环境污染。 1890年， 一艘名叫“马尔波罗号”帆船在从新西兰驶往英国的途中，突然神秘地失踪了. 20年后，人们在火地岛海岸边发现了它.奇怪的是:船上的开都原封未动.完好如初.船长航海日记的字迹仍然依稀可辨;就连那些死已多年的船员，也都“各在其位”，保持着当年在岗时的“姿势”; 1948年初，一艘荷兰货船在通过马六甲海峡时，一场风暴过后，全船海员莫名其妙地死光;在匈牙利鲍拉得利山洞入口， 3名旅游者齐刷刷地突然倒地，停止了呼吸...... 上述惨案，引起了科学家们的普遍关注，其中不少人还对船员的遇难原因进行了长期的研究.就以本文开头的那桩惨案来说，船员们是怎么死的?是死于天火或是雷击的吗?不是，因为船上没有丝毫燃烧的痕迹;是死于海盗的刀下的吗?不!遇难者遗骸上看到死前打斗的迹象;是死于饥饿干渴的吗?也不是!船上当时贮存着足够的食物和淡水.至于前面提到的第二桩和第三桩惨案，是自杀还是他杀?死因何在?凶手是谁?检验的结果是:在所有遇难者身上，都没有找到任何伤痕，也不存在中毒迹象.显然，谋杀或者自杀之说已不成立.那么，是以及病一类心脑血管疾病的突然发作致死的吗?法医的解剖报告表明，死者生前个个都很健壮! 经过反复调查，终于弄清了制造上述惨案的“凶手”，是一种为人们所不很了解的次声的声波.次声波是一种每秒钟振动数很少，人耳听不到的声波.次声的声波频率很低，一般均在20赫兹以下，波长却很长，传播距离也很远.它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远.例如，频率低于1赫的次声波，可以传到几千以至上万公里以外的地方.1960年，南美洲的智利发生大地震，地震时产生的次声波传遍了全世界的每一个角落!1961年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生的次声波竟绕地球转了5圈之后才消失! 次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下.次声穿透人体时，不仅能使人产生头晕、烦躁、耳鸣、恶心、心悸、视物模糊，吞咽困难、胃痛、肝功能失调、四肢麻木，而且还可能破坏大脑神经系统，造成大脑组织的重大损伤.次声波对心脏影响最为严重，最终可导致死亡. 为什么次声波能致人于死呢? 原来，人体内脏固有的振动频率和次声频率相近似(0.01~20赫)，倘若外来的次声频率与体内脏的振动频率相似或相同，就会引起人体内脏的“共振”，从而使人产生上面提到的头晕、烦躁、耳鸣、恶心等等一系列症状.特别是当人的腹腔、胸腔等固有的振动频率与外来次声频率一致时，更易引起人体内脏的共振，使人体内脏受损而丧命.前面开头提到的发生在马六甲海峡的那桩惨案，就是因为这艘货船在驶近该海峡时，恰遇上海上起了风暴.风暴与海浪摩擦，产生了次声波.次声波使人的心脏及其它内脏剧烈抖动、狂跳，以致血管破裂，最后促使死亡. 次声虽然无形，但它却时刻在产生并威胁着人类的安全.在自然界，例如太阳磁暴、海峡咆哮、雷鸣电闪、气压突变;在工厂，机械的撞击、摩擦;军事上的原子弹、氢弹爆炸试验等等，都可以产生次声波. 由于次声波具有极强的穿透力，因此，国际海难救助组织就在一些远离大陆的岛上建立起“次声定位站”，监测着海潮的洋面.一旦船只或飞机失事附海，可以迅速测定方位，进行救助. 近年来，一些国家利用次声能够“杀人”这一特性，致力次声武器--次声炸弹的研制尽管眼下尚处于研制阶段，但科学家们预言;只要次声炸弹一声爆炸，瞬息之间，在方圆十几公里的地面上，所有的人都将被杀死，且无一能幸免.次声武器能够穿透15米的混凝土和坦克钢板.人即使躲到防空洞或钻进坦克的“肚子”里，也还是一样地难逃残废的厄运.次声炸弹和中子弹一样，只杀伤生物而无损于建筑物.但两者相比，次声弹的杀伤力远比中子弹强得多.