什么是纵波？声音的物理学原理

来源：头条号 量子科学论

机械、纵向和压力波

1. 机械波

介质是一系列相互联系、相互作用的粒子，由于声音的传播需要粒子与粒子之间的相互作用，所以声音被定义为机械波。

音叉

还记得我们上学时候体检吗？音叉是我们最熟悉的东西，也是产生声波最简单、最直接的方法！那么音叉是怎样发出声音的？音叉通过前端的来回振动，扰乱空气分子，干扰会随即传递给相邻的空气分子，就产生了典型的机械波，这时体检老师把音叉放在你一侧的耳朵旁，振动的空气分子被你的耳朵捕捉到，恭喜你，你通过了听力测试！

我们需要知道，机械波与电磁波不同，机械波不能在真空中传播。

2. 纵波

声波就是一种典型的纵波，横波的传播方向垂直于振动粒子，而纵波与振动粒子的传播方向相同。如果你有一根弹簧，要产生横波必须拿着弹簧的一段上下移动，要产生纵波就需要拿着弹簧的一端前后移动。

纵波

如果这时你又波动了一根琴弦，像弹簧中同样的事情也发生在振动的弦上。当一个振动的弦向前移动时，它会推动空气分子向前移动，前方的空气分子瞬间被压缩，这就形成了一个高密度、高压区域，高密度区域的空气分子会继续推动更前方的空气分子。当振动的弦向后移动时，弦前方的空气压力会瞬间降低，形成一个低密度区域，周围的空气分子会立刻补充进来，琴弦往复运动，纵波就产生了。我们需要知道的是，琴弦的振动发生是双向的，琴弦的前后振动都能发出声音，上面只描述了一种情况。我们听到的声音是空气粒子运动的结果。

3. 压力波

声音是一种压力波，压力波与粒子的密度有关。压缩和膨胀是介质中运动的高压和低压区域。高压对应压缩和正振幅，低压对应膨胀和负振幅，如下图所示：

如果我们能看到无数的空气粒子在运动，产生压缩区和膨胀区，我们就会看到下面这张图片所展示的球形波。

球形压力波

频率、音调和听觉

波的周期是一个粒子在介质上完成一个完整振动循环所需要的时间，在声波中，我们可以把周期看成是连续高压点之间的时间或者连续低压点之间的时间。由于周期和频率是相互关联的，所以高频声波周期小，低频声波周期大，如图所示：

人的耳朵能够探测到大约20赫兹到2万赫兹的声波。我们把低于这个范围的声音称为次声波，而高于这个范围的声波称为超声波。我们知道许多动物的听力范围比我们人类的更广，狗狗能听到频率高达45000赫兹的声波，蝙蝠能听到高达12万赫兹的声波，海豚能听到高达20万赫兹的声波，令人吃惊的是，大象能听到低至5赫兹的声波。

在音乐中人们所说的音高是指声音的频率，高频具有高音调，低频具有低音调。音乐中有与频率比率有关的音程，频率比为2:1的声音被称为八度音，5:4的声音称为三度音，4:3的声音称为四度音，3:2的声音称为五度音。任何音符都有一个独特的频率，任何物体都有一个可以振动的固有频率。音乐家使用的乐器能够以特定的频率振动。

声音强度的分贝标度

想象一下，你用不同的力量去波动吉他弦。具有较高振幅的振动将赋予介质更多的能量，这样空气粒子将移动到更远的距离。声波强度公式为：

强度=能量/(时间×面积)

强度是指每单位时间内通过介质的某一特定区域所传输能量的量，我们用瓦特/米²来表示。强度随离振源距离的增大而减小，根据你所站的位置和你的听力的好坏，你会说吉他声音太、太大或正合适，所以说声音的强度是非常主观的的一个说法，人的健康和年龄对识别不同频率和分贝的能力有很大的影响。

听觉阈值(TOH)是人类耳朵能探测到的最微弱的声音。听力阈值一般为10^-12 W/m²或0分贝。分贝是对数标度（以10的幂为基础），用它来表示声功率级。

  声  速    

声波的速度取决于介质的性质。声速在固体材料中传播的较快，在液体或气体中较慢，这是因为材料的密度和弹性特性的不同。固体材料之间粒子的相互作用最强，其次是液体，然后是气体。介质的这种性质叫做弹性性质，它是影响声速的因素之一。弹性性能决定了材料在外力作用下保持其形状而不变形的能力。

密度是影响声速的另一个重要的因素。如果介质密度越大，声音传播的速度就越快。但是弹性特性比密度对声速有更大的影响。

再看一遍上面的表格，你会发现似乎有不对的地方。我刚才说过声音在密度更大的材料中传播得更快。20°C的冷空气比40°C的冷空气密度更大，然而，声音在40°C时却传播得更快。你能想到为什么吗？

因为气体温度的升高使分子运动速度加快，这就解释了声速的增加。弹性和密度对声速的影响通常用牛顿-拉普拉斯方程来表示，该方程表示声速与介质体积模量和其密度之比的平方根成正比。

声波也和其他波一样，通过频率和周期也可以计算出波速：v=f×λ。