声音与听觉系列知识 Part 4 — 声波基本概念
大家好，经过前三期的介绍，我们已经了解了人耳构造与听觉的关系、声音的基本属性、噪声测量与听觉的关系。本期继续为大家介绍声波的基本概念。
1、周期运动
众所周知，任何一个乐器要发出声音(具有特定的音高和音色，参见第二期对两个概念的定义)都必须要有周期运动发生。例如，要发出440Hz的标准音，乐器的发声部位需要每秒钟振动440次，这个误差不能超过1Hz，因为正常情况下人耳能分辨出440Hz和441Hz的区别。
周期，完成一个循环运动所需的时间，一般用T表示，单位秒；
频率，每秒钟完成的循环运动的次数，一般用f表示，单位Hz；
幅值，偏离平衡位置的最大位移，一般用A表示；
如果周期运动是行波形式，还会涉及到传播速度v和波长λ。
2、波
声波的波形可以用距离和时间两种形式来绘制，下面两个图是分别用这两种形式绘制的正弦波。
从距离形式的图中，我们可以确定声波的波长λ；从时间形式的图中，我们可以确定声波的周期和频率；将二者结合，我们可以确定声波的速度。根据基本原理“距离等于速度乘以时间”可以得出波长、声速、周期的关系如下：
上图是一个池塘的俯视图，当往里投入一颗石子，水面泛起涟漪，并以石子入水处为中心(该中心为涟漪向外传播提供能量)向外扩散。如果池塘无边界，水面的波纹就是一个行波。与行波对应的是驻波。两列沿相反方向传播的振幅相同、频率相同的波叠加时形成的波叫做驻波。在实践中，驻波的形成需要有反射波。当波传播到固定端时会发生发射，反射波与入射波传播方向相反，振幅和频率都相同。驻波是一种常见的物理现象。各种乐器的发声原理都是和驻波相关的。比如常见的弦乐器和管乐器分别是利用了弦上的驻波和管中的驻波进行发声。入射波(推进波)与反射波相互干扰而形成的驻波波形不再推进，仅波腹在进行上、下振动，波节不移动。例如，有界池塘形成反射波后，引起驻波现象，此时观察池塘水面上漂浮的浮漂(钓���用的钓具)，它会停留在某个位置，围绕水面平衡位置上下运动，如下图所示。
行波又分横波和纵波两类。
横波，也称“凹凸波”，是质点的振动方向与波的传播方向垂直的波。在横波中突起的部分为波峰，凹下部分叫波谷。波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。电磁波、光波，以及前述水面涟漪都是横波。如下图所示。
纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波。在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是平行的。一个单频声波通过空气传播就会使空气的气压产生正弦变化。声波传播时大气运动的示意图如下。
一位物理学家做过一个名为“Wonders of Physics”的有趣试验，如下图所示。在一根管道上打一排很小的孔，管道的一端连接一个扬声器，该扬声器播放一个正弦纯音。同时，在管道内充满天然气，通过管道上的小孔，点燃天然气。用这种实验，可以观测到声波的纵波特性，并可以通过火苗的分布情况大致测算出声波的波长。
3、多普勒效应
当一辆鸣响报警汽笛的救护车从你身边经过的时候，你会感觉到汽笛的音调突然衰减，这就是多普勒效应的一个实例。
多普��效应Doppler effect是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(ChristianJohann Doppler)而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
fobserved为观察到的声音频率，v为声速，vsource为救护车的行进速度，fsource为救护车汽笛声的原始频率。
根据这两个公式可知，救护车开过来的时候，汽笛声频率高于原始频率，经过之后，汽笛声频率低于原始频率，所以人会感觉救护车驶过身边，声音的频率会突然变低。
我们也可以用下图所示公式来推导声源靠近时和远离时，声波波长的变化。
即，当声源由远及近时，波长小于原始声波的波长；当声源远离时，波长大于原始声波的波长。
本期为大家带来了声波的基础概念。下一期，我们会在此基础上开始为大家介绍声波的传播，以及声波传播过程中常见的物理现象，敬请关注。
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