聲音的特性

声音的特性：一起来制造声波吧！

由港铁车门的提示音到耳机里的音乐，声音无处不在。但声音究竟是什么？

在本章，你会学到声音是由振动产生的、声音需借助介质传送、声音的速度在固体、液体和气体中有何不同、声音如何反射形成回声，以及音调和响度怎样与振动有关。你也会学习阅读波形，并用手机应用程序探究响度。耳朵如何接收声音，可参阅“听觉”一章。

1. 声音是由振动产生的

振动是一种快速的来回运动。所有声音都是由振动的物体产生的。振动停止，声音也会停止。

亲身感受一下

1. 你的声音 – 把手指放在喉咙上，然后哼唱。你会感受到声带在振动。

2. 桌上的直尺 – 把直尺一端按在桌上，再拨动另一端。直尺会上下振动，发出“嘣嘣”声。

3. 音叉 – 敲击音叉，然后把叉臂放进水中。水花会溅起，因为叉臂正在快速振动。

振动怎样传播？

振动的物体会推拉旁边的空气粒子，这些粒子又会推动下一批粒子。于是形成粒子挤在一起的区域（密部）和粒子散开的区域（疏部）。

粒子只会在原处来回移动，真正向前传播的是能量，这就是声波。就像运动场上的“人浪”：每位观众只是站起又坐下，但人浪却能绕场一周。

重点：声音由振动产生，并以波的形式传播，把能量由一粒子传到另一粒子。

2. 声音需借助介质传送

介质是声音传送时所经过的物质，可以是固体、液体或气体。没有粒子传递振动，声音便无法传送。

钟罩内的电铃实验

装置：把一个正在响的电铃放在密封的玻璃钟罩内，再用真空泵慢慢抽走钟罩内的空气。

观察：铃声变得越来越微弱。你仍然看见铃锤在敲打电铃，却几乎听不到声音。让空气重新进入钟罩后，铃声又再变响。

结论：声音不能在真空中传送（真空即没有粒子的空间）。光可以在真空中传播，所以你仍然看得见电铃。你可能仍会听到微弱的声音，因为钟罩内仍剩下少量空气，而且部分振动会经支架传出。

太空中一片寂静

外太空几乎是真空，所以航天员在太空行走时要用无线电通话，因为无线电波可以穿过真空。空间站内有空气，所以在中国空间站的“天宫课堂”中，航天员可以如常对话。

你知道吗？太空战争电影中震耳欲聋的爆炸声并不真实。在太空中，附近的太空船根本听不到爆炸声！

重点：声音需借助介质（固体、液体或气体）传送，不能在真空中传送，但光可以在真空中传播。

3. 声音传得有多快？

声音的速度取决于介质。声音在固体中传得最快，在液体中较慢，在气体中最慢。固体的粒子排列紧密，而且互相紧扣，所以能快速传递振动。

声音的大约速度：
空气：约 340 m/s
水：约 1500 m/s
钢：约 5000 m/s

记忆小贴士：“固、液、气——快、中、慢”。粒子越紧密，声音传得越快。试试看：把耳朵贴在桌面，请同学在桌子另一端轻敲，经桌子传来的敲击声会更清楚。

声音比光慢得多

光在空气中的速度差不多是声音的一百万倍。闪电和雷声是同时产生的，但你会先看见闪电，后听到雷声。我们可以借此估计雷暴离我们有多远：

\(\text{距离} = \text{速率} \times \text{时间}\)

例子：你在看见闪电后 3 s 听到雷声。\(\text{距离} = 340 \times 3 = 1020\ \text{m}\)，即约 1 km 远。

重点：声音在不同介质中以不同速度传送：在固体中最快，在气体中最慢（在空气中约 340 m/s）。

4. 声音会进行反射：回声

和光一样，声音遇到物体表面时会反弹，这就是声音的反射。与原来的声音分开听到的反射声，称为回声。

坚硬、平滑和面积大的表面，例如悬崖、大楼和隧道墙壁，能有效反射声音。柔软的材料，例如窗帘和地毯，则会吸收声音。所以在空置的房子里说话会有回声，搬入家具和挂上窗帘后便会减少。

表面要离你够远（大约 17 m 或以上），才能听到清晰的回声，例如在郊野公园向山坡大叫。如果表面太近，回声会和原来的声音混在一起。

利用回声测量距离

回声要去到表面再返回，所以声音走了两倍的距离：

\(\text{与表面的距离} = \dfrac{\text{速率} \times \text{时间}}{2}\)

例子：你拍手后 0.5 s 听到悬崖传来的回声。\(\text{距离} = \dfrac{340 \times 0.5}{2} = 85\ \text{m}\)

利用回声的动物

蝙蝠 – 很多蝙蝠在漆黑的晚上捕捉昆虫。蝙蝠会发出非常高音的叫声（大部分高得人类听不到），再聆听回声，从而知道昆虫或障碍物在哪里、有多远。这称为回声定位。

海豚 – 海豚在水中发出急速的“咔嗒”声，再聆听回声来寻找鱼类和辨认方向，即使在混浊的海水中也可以，例如香港中华白海豚生活的水域。

回声定位帮助这些动物在眼睛派不上用场的地方导航，以适应环境。

重点：声音遇到坚硬的表面会反射，形成回声。蝙蝠和海豚利用回声寻找食物和辨认方向。

5. 乐音的音调与响度

乐音是音调稳定的音乐声音，例如按下一个钢琴键所发出的声音。每个乐音都有音调和响度。

音调取决于频率

音调是指声音的高低，取决于振动的频率，即每秒完成振动的次数。频率的单位是赫兹（Hz），\(1\ \text{Hz}\) 即每秒振动 1 次。标示 256 Hz 的音叉每秒振动 256 次。

频率越高 → 音调越高（例如哨子声、鸟儿歌声）。
频率越低 → 音调越低（例如大鼓声、船笛声）。

响度取决于振幅

响度是指声音的大小，取决于振动的振幅，即物体离开静止位置的最大距离。

振幅越大 → 声音越响，因为振动带有更多能量。用力打鼓，鼓皮的振幅会变大，声音更响，但音调不变。

记忆小贴士：振动得快 → 音调高（看频率）；振动得大 → 声音响（看振幅）。

乐器实例

吉他弦 – 弦线较短、较紧或较细，振动较快，音调便较高。拨弦力度较大，乐音便较响。

桌上的直尺 – 伸出桌边的部分较短，振动较快，音调较高。把末端按得较低才放手，振幅较大，声音较响。

鼓 – 鼓皮较紧或鼓的体积较小，音调较高。打得较用力，声音较响。

重点：音调取决于频率，响度取决于振幅。改变其中一个，不一定会改变另一个。

6. 看见声音：波形

麦克风把声音转换成电信号，示波器或手机上的声音应用程序再把信号画成一条波浪形的线，称为波形。横轴表示时间。

如何阅读波形

数一数波的数目：在相同时间内，完整的波越多 → 频率越高 → 音调越高。

看看波的高度：波越高 → 振幅越大 → 声音越响。

比较四个乐音

想象四个以相同刻度画出的波形：
乐音 A – 4 个波，高 2 格（作为参考）。
乐音 B – 8 个波，高 2 格 → 音调比 A 高，响度与 A 相同。
乐音 C – 4 个波，高 4 格 → 音调与 A 相同，但较响。
乐音 D – 2 个波，高 1 格 → 音调比 A 低，声音也比 A 轻。

只可比较以相同屏幕设置画出的波形，就像公平测试中的控制变量一样！

重点：在波形上，相同时间内的波越多，音调越高；波越高，声音越响。

7. 探究：响度如何随距离而变化？

目的：使用移动设备，找出乐音的响度如何随声源距离而变化。

仪器：一部播放稳定乐音的手机（使用信号发生器应用程序）、另一部装有声级计应用程序的手机，以及一把卷尺。应用程序以分贝（dB）显示响度（详见“声音和环境”一章）。

变量

自变量：与声源的距离。
因变量：应用程序显示的响度读数。
控制变量：相同的乐音和音量设置、相同的手机和应用程序、相同的高度和方向，以及在宁静的房间进行。

步骤

1. 关掉声源，测量背景噪音。
2. 播放乐音，记录距离声源 0.5 m 处的读数。
3. 在 1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m 和 3.0 m 处重复测量。
4. 在每个距离测量三次，并求平均值。
5. 绘制响度与距离的关系图。

结果和结论

距离越远，响度读数越低。靠近声源时读数下降得快，之后下降得较慢。这是因为声音的能量在传播时会散开到越来越大的范围，而且部分能量会被空气吸收。

准确度与精密度：重复测量的读数十分接近，表示测量的精密度高。手机应用程序未必经过校准，读数未必很准确，但仍能清楚显示趋势。应在宁静、附近少硬墙的地方进行，以减少回声的影响。

重点：乐音的响度随着与声源的距离增加而减少。

常见错误

错误 1：“声音越响，音调越高。”错！响度取决于振幅，音调取决于频率。一个乐音可以又响又低沉，也可以又轻又高。

错误 2：“声音在空气中传得最快。”错！声音在气体中最慢，在固体中最快。

错误 3：计算回声时忘记除以 2。声音要去到表面再返回。

重点回顾

1. 声音是由振动产生的。

2. 声音需借助介质传送，不能在真空中传送。

3. 声音的速度：固体 > 液体 > 气体；在空气中约 340 m/s。

4. 反射的声音就是回声；蝙蝠和海豚利用回声定位。

5. 频率（Hz）越高 → 音调越高；振幅越大 → 声音越响。

6. 与声源的距离越远，响度越低。

做得好，小小声音科学家！现在你知道听到回声时到底发生了什么事。