声波 (可编辑的)课件.ppt
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- 可编辑的 声波 【可编辑的】课件 编辑 课件
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1、3-7 声波和超声波声波和超声波正常人耳能听到的声音的频率范围正常人耳能听到的声音的频率范围次次 声声超超 声声蝴蝶振翅蝴蝶振翅20Hz20000Hz蝙蝠利用蝙蝠利用超声导航超声导航罩罩外所外所听听到到铃声铃声就越來越微弱就越來越微弱电铃电铃真空泵抽去空真空泵抽去空气气声声音不能在真空中音不能在真空中传传播播太空人只能透太空人只能透过无线电过无线电互相互相联系联系 设在弹性媒质中有一平面余弦纵波设在弹性媒质中有一平面余弦纵波,为密度为密度,u为声速为声速 媒质中有声波传播时的压强与无声媒质中有声波传播时的压强与无声波传播时的压强之差称为声压波传播时的压强之差称为声压.一一.声压声压)2cos(
2、0 xtAy 稀疏区声压为负稀疏区声压为负,稠密区声压为正值稠密区声压为正值.由于疏密的周期性由于疏密的周期性,声压也是周期变化声压也是周期变化.Aupm2)(cos0uxtAup可以证明声压可以证明声压p为:为:声压的振幅为:声压的振幅为:二二.声强、声强级声强、声强级声强声强就是声波的能流密度就是声波的能流密度.ZpupAuImm22212222 式中式中uZ 声阻抗声阻抗:表征介质性质的物理量表征介质性质的物理量.几种物质的声阻几种物质的声阻物质物质空气空气(20C)水水(20C)石蜡油石蜡油有机玻璃有机玻璃声阻声阻(N.s/m3)4151.481051.1861063.21105脂肪脂
3、肪肌肉肌肉脑脑密质骨密质骨物质物质声阻声阻(N.s/m3)1.361061.931061.561066.12106声强级声强级:引起人的听觉的声波引起人的听觉的声波,不仅频率有不仅频率有一个范围一个范围,而且还有一定的声强范围而且还有一定的声强范围.大约大约为为1012瓦瓦/米米2-1瓦瓦/米米2.声强太小听不见声强太小听不见,太大会引起痛觉太大会引起痛觉.由于可闻声强的数量级相差悬殊由于可闻声强的数量级相差悬殊,另外另外当耳朵接收到声波后当耳朵接收到声波后,主观上产生的响度感主观上产生的响度感觉不是正比于声强觉不是正比于声强,而是与强度的对数成正而是与强度的对数成正比比.通常用声强级来描述声
4、音的强弱通常用声强级来描述声音的强弱.规定声强规定声强 I0=10-12瓦瓦/米米2作为作为测定声测定声强级的标准强级的标准.定义声强级定义声强级L L为:为:0logIIL 单位为贝耳单位为贝耳(Bel)1Bel=10dB 0log10IIL 单位为分贝单位为分贝(dB)(dB)注意:注意:声强级不能直接相加减声强级不能直接相加减.如如:一台一台机器噪音机器噪音50dB,增加一台机器增加一台机器,总噪音为总噪音为53dB,而不是而不是100dB.三三.等响曲线等响曲线声波的客观物理量声波的客观物理量:频率频率、强度强度和和倍频倍频.人耳对声音的主观感觉物理量人耳对声音的主观感觉物理量:音调、
5、音调、响度和音品响度和音品(音色音色).).音调:音调:音调的高低取决于振动的频率音调的高低取决于振动的频率,频频率高的声波音调高率高的声波音调高.响度:响度:响度是人耳对声音强弱的主观感响度是人耳对声音强弱的主观感受受,它取决于声强它取决于声强,也与频率有关也与频率有关音色音色不同的声源发出同一音调的声音时不同的声源发出同一音调的声音时,声音的品质不同声音的品质不同.这是由于两列声波的频率相同这是由于两列声波的频率相同,但波但波形不同形不同,从而音色就不同从而音色就不同.最单纯的声音的波形是正弦波最单纯的声音的波形是正弦波.复杂声音可看作一个基音和若干频率复杂声音可看作一个基音和若干频率是基
6、音频率整数倍的泛音迭加而成是基音频率整数倍的泛音迭加而成.基音的频率决定音调基音的频率决定音调,泛音的构成(频泛音的构成(频谱)决定音色谱)决定音色.0123456A 语言区域语言区域痛阈痛阈闻阈闻阈/HZ20100050010050001000002040608010012010-210-410-610010-810-1010-12L/dbI/W m-2等响曲线等响曲线闻阈闻阈 10-12 0痛阈痛阈 1 1201 120伤害人体伤害人体 10 13010 130正常呼吸正常呼吸 10 10-11-11 10 10悄悄话悄悄话 10 10-10-10 20 20摇滚乐摇滚乐 0.3 1150
7、.3 115电动切草机电动切草机 10 10-2-2 100 100重型卡车重型卡车 10 10-3-3 90 90大声喊叫大声喊叫 10 10-4-4 80 80室内正常谈话室内正常谈话 3 310 10-6-6 65 65声音声音 声声 强强(W(W m m 2 2)声强级声强级(dB)(dB)几种声音的声强及声强级数几种声音的声强及声强级数人和一些动物的发声频率和听觉频率范围人和一些动物的发声频率和听觉频率范围噪声噪声:1、物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动、物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动.2、指任何难听的、不和谐的声或干扰、指任何难听的、不和谐的声或干扰.噪声是由不同频率、
8、不同振幅的声音无规则地噪声是由不同频率、不同振幅的声音无规则地组合在一起而出现的组合在一起而出现的.广义上说广义上说,任何不需要的声任何不需要的声音都属噪声音都属噪声;狭义上说狭义上说,噪声是指大于噪声是指大于 90dB 以上以上,对人的工作、健康有影响的声音对人的工作、健康有影响的声音.强烈的噪声(强烈的噪声(160dB以上)不仅可损坏建筑物以上)不仅可损坏建筑物,而且还会使发声体本身因疲劳而受到破坏而且还会使发声体本身因疲劳而受到破坏.四四.声波的反射与折射声波的反射与折射反射系数:反射系数:对于垂直入射介质界面的声对于垂直入射介质界面的声波来说波来说,反射波的声强反射波的声强I1和入射波
9、的强度和入射波的强度I0 0之比之比.2112211222121201 uuuuZZZZII 折射系数:折射系数:折射波的声强折射波的声强I2和入射波的和入射波的强度强度I0之比之比.21122112221212024)(4)(uuuuZZZZII 超声诊断时超声诊断时,探头抹液体石蜡探头抹液体石蜡.五五.多普勒效应多普勒效应 这一现象是多普勒于这一现象是多普勒于18421842年发现的年发现的.为了证明这为了证明这一效应一效应,多普勒请一个乐队在一列火车的平板车车厢多普勒请一个乐队在一列火车的平板车车厢上演奏上演奏,他站在火车经过的道路旁他站在火车经过的道路旁,当火车驶近时当火车驶近时,他他
10、听到的乐队奏出的音符比平时要高;当火车远去时听到的乐队奏出的音符比平时要高;当火车远去时,听到音调降低了听到音调降低了.然后他坐在火车上然后他坐在火车上,乐队在道路旁乐队在道路旁演奏演奏,多普勒得到了同样的结果多普勒得到了同样的结果.因波源与观测者有相对运动而使观因波源与观测者有相对运动而使观测者所接收到的波的频率发生变化的现测者所接收到的波的频率发生变化的现象叫做多普勒效应象叫做多普勒效应.设设vs 、vo 分别表示波源、观察者相对于介质分别表示波源、观察者相对于介质的运动速度的运动速度,以以u表示声波波速表示声波波速,以以 和和 表示声波表示声波的频率和波长的频率和波长.1)波源静止波源静
11、止,观察者向着波源方向以相对于介质观察者向着波源方向以相对于介质速度速度vo 运动运动整个波以速度整个波以速度u+vo 经过观察者经过观察者 )(uuuuoo01vvv 观察者接收到的波的频率观察者接收到的波的频率观察者远离波源运动时观察者远离波源运动时,接收到的波的频率接收到的波的频率 频率变高频率变高 频率变低频率变低 )(u01v 频率频率-单位时间内波动传播的距离内单位时间内波动传播的距离内所包含的完整波的数目所包含的完整波的数目.2)观察者静止观察者静止,波源向着观察者运动波源向着观察者运动 在一段时间在一段时间t内内,波源发出波源发出的波数为的波数为 t个个,与此同时波源与此同时波
12、源移动的距离为移动的距离为vst,t=0时发出的时发出的声波走了一段距离声波走了一段距离ut.这这 t个波均匀地分布在个波均匀地分布在距离距离ct-ut之内之内,它们的波长是它们的波长是utvst ssuttutvv 波数距离观察者测得的频率观察者测得的频率频率变高频率变高 suuuv 波源背离观察者时波源背离观察者时,观察者观察者测得的频率测得的频率 suuuv 频率变低频率变低 utvst suv 3)3)波源和观察者同时在同一波线上相波源和观察者同时在同一波线上相对于介质运动对于介质运动波源运动的速度波源运动的速度vs 观察者速度观察者速度vo 波源静止波源静止,观察者运动观察者运动,波
13、传播的速度波传播的速度 波源运动波源运动,观察者静止观察者静止,波长波长综合两种情况综合两种情况,观测到波的频率观测到波的频率 suv uouuv souuvv 式中式中,观察者向着波源方向运动时观察者向着波源方向运动时,vo 前取正号前取正号,离开时取负号离开时取负号;波源向着观察者波源向着观察者运动时运动时,vs前取负号前取负号;离开时正号离开时正号.当波源与观察者的运动不在两者的连当波源与观察者的运动不在两者的连线上时线上时,将速度在连线上的投影值代入式中将速度在连线上的投影值代入式中.souuvv 记住记住 只要接近只要接近,频率增频率增大大;离开频率减小离开频率减小.水波的多普勒效应
14、(波源向左运动)水波的多普勒效应(波源向左运动)当波源运动的速度当波源运动的速度vS 超过波速时超过波速时,波源将波源将位于波前的前方位于波前的前方,前述的计算公式不再有意义前述的计算公式不再有意义.波源发出的波的各波前的切面形成一个圆锥面波源发出的波的各波前的切面形成一个圆锥面.4 4)激波)激波Suv sinuSv马赫数马赫数形成的锥叫马赫锥形成的锥叫马赫锥tsv1P2Put马赫锥马赫锥 超音速的子超音速的子弹在空气中弹在空气中形成的激波形成的激波(马赫数为(马赫数为2 )当波源的运动速率刚好当波源的运动速率刚好等于波速时等于波速时,即即vs=u,马赫锥马赫锥的顶角的顶角=,锥面变为平面锥
15、面变为平面.波源在各时刻发射的波波源在各时刻发射的波,几乎与波源自身几乎与波源自身共处于同一平面这时冲击波的能量非常集中、共处于同一平面这时冲击波的能量非常集中、强度和破坏力极大强度和破坏力极大,这种现象称为这种现象称为 “声暴声暴”.例如例如,当飞机刚好以声速飞行时当飞机刚好以声速飞行时,机体所产机体所产生的任一振动都将尾随在机体附近生的任一振动都将尾随在机体附近,并引起机身并引起机身的共振的共振,给飞行带来危险给飞行带来危险.因此因此,超音速飞机在飞超音速飞机在飞行时都要尽快越过这道音速的屏障行时都要尽快越过这道音速的屏障.Suv sin谱线红移谱线红移.测定星球相对于地球的运动速度测定星
16、球相对于地球的运动速度.利用基于反射波多普勒效应原理的雷达系统利用基于反射波多普勒效应原理的雷达系统,测定流体的流动、振动体的振动、车辆、导弹测定流体的流动、振动体的振动、车辆、导弹等运动目标速度等运动目标速度.医学上的医学上的“D超超”,利用超声波的多普勒效应利用超声波的多普勒效应检查人体内脏的运动和血液的流速和流量检查人体内脏的运动和血液的流速和流量.多普勒效应的应用多普勒效应的应用超声多普勒效应测血流速度超声多普勒效应测血流速度M7-2M7-4例例1 1 车上一警笛发射频率为车上一警笛发射频率为1500Hz的声波的声波,该车以该车以20m/s的速度向某方向运动的速度向某方向运动,某人以某
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