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波长,频率和声速

当您通过扬声器播放音乐时,扬声器的膜就会运动起来,交替地内外移动。 在向外运动时,膜压缩前面的空气;当向扬声器机箱内部运动时,它让前端的空气空间更大,使其变得稀薄。

压缩和稀薄过程都是当地的扰动,空气将试图找到平衡。 当膜的运动增加了当地压力时,在膜正前面的空气分子将临近的空气分子推向稍微远一点。这些分子反过来又会把分子推到更远的地方,这样重复下去。 同样地,当膜向机箱内移动时,它会减小当地压力,并且空气分子也会跟着来填满这个空间。 最终,其它更远的分子也必须遵循这个规律。

分子本身只能来回移动一点点。 真正从一个分子传递到另一个分子是运动的能量。 由声源向外传播能量的速度即为声速。 根据经验,空气中的声速为340米/秒,但它随着空气的温度的变化而增加和减少:

Cair = (331 + 0.6 * T) m/s 其中T是空气的温度,单位为℃。

这意味着在扬声器膜开始移动后的一秒内,距离它340米远的听众将开始听到某些声音。

如果在这个一秒钟期间,扬声器的膜只完成了内外运动的一个循环,我们说它以1Hz的频率振动,这等于每秒一个周期。 在该循环过程内,扬声器前面的空气压力将在膜开始向箱内移动之前增加到最大值,然后压力降低直到达到最小值,然后返回至中间平衡位置。

如果我们可以在一秒后将时间停止,然后走到距离扬声器340米远的地方,我们就会观察扬声器前面的压力分布,反映出压力变化,从而看到一个完整的波长。

大多数人听到最低频率是20 Hz的声音,就是当扬声器每秒钟运动20个周期时。 声音仍然以相同的速度离开信号源,并且在距离340米的听众开始听到某些声音之前仍然需要一秒钟。

然而,在那段时间,扬声器已经进行了20个循环,如果我们再次停止时间,我们将会看到空气的压力波形在最大和最小值之间来回变化20次。 波长定义为一个循环内的波形的长度。因为我们可以把20个循环放入到340米的距离内,所以20Hz的波长为340米除以20,也就是17米。 同样地,对于20 kHz,这是大多数人可以听到的最高频率,波长为340米除以20,000,即为1.7厘米。

为什么波长很重要?
波长的重要性在于它帮助我们将物体的尺寸与声音的频率联系起来。这几乎与声学领域的所有学科都是相关的。 让我们举两个例子。

在室内声学中,声音在有限的空间传播。 一旦到达墙壁,天花板或地板,它将被反射回来,并干扰来自相同或其他来源的其他声波。如果波长与房间的一个或几个尺寸相匹配,这些波将产生所谓的“驻波模式”,通过在某些地方会增加(产生轰鸣声),并在其他方面相互抵消(声音变得微弱)。 因此,相关频率的波长的知识可以有效地用于增强某些频率的声音(例如,在墙壁或甚至角落里放置低音炮),或者如果需要的话,通过改变房间的形状和尺寸来避免驻波。

与房间的大小一样重要的,就是里面物体的大小。 显著小于波长的物体将不会反射声音,因为如果波长较长,则物体前后几乎没有压力差,也就是说物体的存在已不重要。 相反,如果声音的波长相对较小,则物体将会变成屏障和反射器。 这就是为什么移动到柱子后面会大大降低高频声音(短波长),但是会使低频声音几乎没有变化(长波长),使得声音显得沉闷。

空气中“声音”1 Hz的波长为:340 m

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A:这些分子已经对扬声器膜的向内运动作出反应,朝向声源移动
B:170 m =距离膜的一半波长远:空气分子处于平衡位置,现在将朝向膜移动
C:波前已经到达这些分子,使它们沿离开声源的方向移动

20 Hz空气中的声音波长:340 m / 20 = 17 m

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膜运动

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A:平衡位置的膜和空气
B:薄膜和空气压缩
C:薄膜和空气稀薄


不同温度下的声速

冰点0 °C 331.6 m / s
室温20°C 343.0m / s
沙漠45°C 358.0 m / s


知道如何记住空气中的声速

你是否曾经数过从你看到雷击的那一刻到你听到雷声的秒数?

许多人会知道这样的经验法则,数到3意味着雷击在大约1公里处。 考虑到这一点,您可以粗略计算声速:1 km / 3秒≈340 m / s。

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这是因为光速是30万公里/秒,所以即使在几公里之外,我们也能立即看到闪电。 然而,声音的速度只有大约 340米/秒,所以雷声需要花几秒钟才能走一公里。


驻波模式

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左:匹配最低频率,即最长的波长:墙面附近的声音非常强烈。房间中间的声音微弱或没有声音

右:匹配下一个更高的频率,其中两个波长的声音传到房间内:在墙壁上和房间中间有强烈的声音,在房间的一些区域交替声音微弱