Speed of sound

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

Wavelength-frequency-and-speed-of-soundA: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

Wavelength-frequency-and-speed-of-soundA: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。

Wavelength-frequency-and-speed-of-sound

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

Wavelength-frequency-and-speed-of-sound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