第1节 声音的产生与传播
鸟鸣清脆如玉，琴声婉转悠扬……声音对我们来说再熟悉不过了，但是你 知道声音是怎么产生的，又是如何被我们听到的呢？
声音的产生
拨动张紧的橡皮筋，观察橡皮 筋的变化（图 2.1-1）；边说话，边 用手摸颈前喉头部分（图2.1-2）。
观察、体验、总结物体发声 时的共同特征。
图2.1-2 图2.1-1
想想做做
从上面的活动中可以看出，橡皮筋嗡嗡作响 时，橡皮筋在振动；说话时声带在振动。大量
的观察、分析表明，声音是由物体的振动（vibra-tion）产生的。
物体振动发声的现象真是太多了，你能说 出一些发声现象的道理吗？ 比如，蝈蝈是怎么 发声的（图 2.1-3）？如果让发声的物体不再发 声，又该怎么做？
振动可以发声。如果将发声的振动记录下来，需要时再让物体按照记录下 来的振动规律去振动，就会产生与原来一样的声音，这样就可以将声音保存下 来。图 2.1-4 是早期机械唱片表面的 放大图。从图片上可以看到，唱片上 有一圈圈不规则的沟槽。当唱片转动 时，唱针随着划过的沟槽振动，这样 就把记录的声音重现出来。随着技术 的进步，人们还发明了用磁带、激光 唱盘和存储卡等记录声音的方法。
图 2.1-4 早期的机械唱片表面
声音的传播
人们听到声音时往往距发声的物体有一定的距离，那么声音是怎样从发声 的物体传播到远处的呢？
如图 2.1-5，把正在响铃的闹钟放在玻璃罩内，
逐渐抽出其中的空气，注意声音的变化。再让空气 逐渐进入玻璃罩，注意声音的变化。
图 2.1-5 真空罩中的闹钟
演示
图 2.1-3 蝈蝈
这个实验告诉我们，正是平时大家并不十分留意的空气传送了声音。如果 没有空气，人们就无法正常交流。太空中没有空气，哪怕离得再近，航天员也 只能通过无线电交谈。
声音在空气中是怎样传播的呢？
以击鼓为例：鼓面的振动带动周围的 空气振动，形成了疏密相间的波动，
向远处传播（图 2.1-6）。这个过程跟 水波的传播相似。用一支铅笔不断轻 点水面，水面就会形成一圈一圈的水 波，不断向远处传播。因此，声音以 波的形式传播着，我们把它叫做声波
（sound wave）。 图 2.1-6 空气的疏密部分的传播形成声波
从这个实验可以看出，桌子也能传声。气体、固体可以传播声音，其实液 体也可以传播声音。将要上钩的鱼，会被岸上的说话声或脚步声吓跑；在花样 游泳比赛中，运动员在水中也能听到音乐，这些都是因为水能传播声音。
大量实验表明：声音的传播需要物质，物理学中把这样的物质叫做介质
（medium）；传声的介质既可以是气体、固体，也可以是液体；真空不能传声。
声速
远处一道闪电划过漆黑的夜空，过一会才会听到隆隆的雷声。这个现象表 明，远处的声音传到我们的耳朵需要一段时间。声音传播的快慢用声速描述，
想想做做
用一张桌子做实验。一个同学轻敲桌子
（不要使附近的同学听到敲击声），另一个同 学把耳朵贴在桌面上。由实验能得出什么
结论？
用一张桌子做实验。一个同学轻敲桌子
（不要使附近的同学听到敲击声），另一个同 学把耳朵贴在桌面上。由实验能得出什么
图2.1-7 桌子能否传声?
科 学 世 界
它的大小等于声音在每秒内传播的距离。声速的大小跟介质的种类有关，还跟 介质的温度有关。15 °C时空气中的声速是 340 m/s。
声音在传播过程中，如果遇到障碍物，就会被反射。我们对着远处的高墙 或山崖喊话以后听到的回声，就是反射回来的声音。当障碍物离人较远时，发 出的声音经过较长的时间（大于 0.1 s）回到耳边，人们能把回声与原声区分 开；当障碍物离得太近时，声波很快被反射回来，回声与原声混在一起，此时 人们分辨不出原声和回声，但是会觉得声音更响亮。音乐厅中常用这种原理使 演奏的效果更好。
空气（0 °C） 331 空气（15 °C） 340 空气（25 °C） 346
软木 500
煤油（25 °C） 1 324 水（常温） 1 500
海水（25 °C） 1 531
冰 3 230
铜（棒） 3 750
大理石 3 810
铝（棒） 5 000 铁（棒） 5 200
一些介质中的声速
我们是怎么听到声音的
人靠耳朵听声音，那 么耳朵通过什么途径感知 声音呢？生物课上大家已 经知道了人们感知声音的 基 本 过 程 ： 外 界 传 来 的 声 音 引 起 鼓 膜 振 动 ， 这 种振动产生的信号经过听 小骨及其他组织传给听觉 神经，听觉神经把信号传 给大脑，人就听到了声音
（图2.1-8）。
小资料
图 2.1-8 人耳构造
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声速 /（m · s-1） 声速 /（m · s-1）
介质 介质
1. 用手拨动绷紧的橡皮筋，我们听到了声音，同时观察到橡皮筋变“胖”变
“虚”了，这是因为橡皮筋在振动。请你举出其他的例子说明发声体在振动，在你所举 的例子中，请说明是哪个物体振动发出声音的。
2. 阅读课本中的声速表，你能获得关于声速的哪些信息？
3. 将耳朵贴在长铁管的一端，让另外一个人敲一下铁管的另一端，你会听到几次 敲打的声音？试一试，并说出其中的道理。
4. 在室内讲话比旷野里响亮，这是为什么？
5. 向前传播的声音遇到障碍物能反射回来。一个同学向一口枯井的井底大喊一 声，约 1.5 s 后听到回声，那么这口枯井的深度大约是多少米 ?
在这个过程中，任何部分发生障碍（例如鼓膜、听 小骨或听觉神经损坏），人都会失去听觉。如果只是传 导障碍，而又能够想办法通过其他途径将振动产生的信 号传递给听觉神经，人也能够感知声音。例如，声音通 过头骨、颌骨也能传到听觉神经，引起听觉。科学中把 声音的这种传导方式叫做骨传导。
取两个棉花球塞住耳朵，用橡皮锤敲击音叉，这时 你基本听不到音叉发出的声音；再把振动的音叉尾部先
后抵在前额、耳后的骨头或牙齿上（图2.1-9），你都能清楚地听到音叉发出的声音，
一旦把音叉移开，马上就听不到这一声音了。实际上，第二种情况就是利用了骨传 导。一些失去听觉的人可以利用骨传导来听声音。据说，音乐家贝多芬耳聋后，就是 用牙咬住木棒的一端，另一端顶在钢琴上来听自己演奏的琴声，从而继续进行创作 的。骨传导不用空气传声，可以有效避免嘈杂环境的干扰，常应用在工业、战场等特 殊场合中。而利用骨传导原理制成的助听器、耳机等更是在生活中得到了广泛的应用。
想一想，我们梳头、刷牙、吃饼干发出的各种声音是怎样传进大脑，产生听 觉的？
图 2.1-9 体验骨传导
动手动脑学物理
第2节 声音的特性
振动会发出声音，为什么我们听不到蝴蝶翅膀振动发出的声音，却能听到 讨厌的蚊子声？为什么用力鼓掌比轻轻拍掌发出的声音大？要知道这些问题的 答案，就需要研究声音的特性。
音调
我们接触到的各种声音，有的听起来音调（pitch）高，有的听起来音调 低。声音为什么会有音调高低的不同？什么因素决定音调的高低？
如图 2.2-1 所示，将一把钢尺紧 按在桌面上，一端伸出桌边。拨动钢 尺，听它振动发出的声音，同时注意 钢尺振动的快慢。改变钢尺伸出桌边 的长度，再次拨动钢尺。
比较两种情况下钢尺振动的快慢 和发声的音调。
物体振动得快，发出的音调就高，振动得慢，发出的音调就低。可见发声 体振动的快慢是一个很重要的物理量，它决定着音调的高低。物理学中用每秒 内振动的次数——频率（frequency）来描述物体振动的快慢。频率决定声音的音 调，频率高则音调高，频率低则音调低。频率的单位为赫兹（hertz），简称赫，
符号为 Hz。如果一个物体在 1 s 的时间内振动 100 次，它的频率就是 100 Hz。
为了很好地了解物体振动发声的情况，我们可以将声音的波形在示波器或 计算机上展现出来。
演示
图2.2-1 探究音调和频率的关系
如图 2.2-1 所示，将一把钢尺紧 按在桌面上，一端伸出桌边。拨动钢 尺，听它振动发出的声音，同时注意 钢尺振动的快慢。改变钢尺伸出桌边 的长度，再次拨动钢尺。
比较两种情况下钢尺振动的快慢 和发声的音调。
通过屏幕上的波形，我们可以清楚地看到，高音调的波形更密集一些，声 音的频率高；低音调的波形更稀疏一些，声音的频率低。
人能感受的声音频率有一定的范围。大多数人能够听到的频率范围从
20 Hz
到 20 000 Hz。人们把高于 20 000 Hz 的声叫做超声波（supersonic wave），因为它们超过人类听觉的上限；把低于 20 Hz 的声叫做次声波（infrasonic
wave
），因为它们低于人类听觉的下限。通常人们将人类能听到的声叫声音，将声音、超声波、次声波统称声。
动物的听觉范围通常与人的不同。一些动物对高频声波反应灵敏。或许你 曾经注意过，有时在你认为很静、没有任何声音时，猫或者狗却突然表现得 非常警觉。猫能够听到的频率范围是 60~65 000 Hz，狗能够听到的频率范围是
15~50 000 Hz
，海豚能听到声的上限是 150 000 Hz。演示
如图 2.2-2 所示，把音叉发出的声音 信号输入示波器或计算机，观察声音的 波形。换一个不同频率的音叉做实验，
边听边分析它们的波形有何不同。
图 2.2-2 声音的波形
如图 2.2-2 所示，把音叉发出的声音 信号输入示波器或计算机，观察声音的 波形。换一个不同频率的音叉做实验，
边听边分析它们的波形有何不同。
人和一些动物的发声和听觉的频率范围
响度
声音有音调的不同，也有强弱的不同。例如，用力击鼓比轻轻击鼓产生的 声音大。物理学中，声音的强弱叫做响度（loudness）。什么因素决定声音的 响度呢？
如图 2.2-3，将正在发声的音叉轻触系在细绳上 的乒乓球，观察乒乓球被弹开的幅度。
使音叉发出不同响度的声音，重做上面的实验。
响度与什么因素有关？
图2.2-3
演示 小资料
20 000 1 100
85
20 人
50 000 1 800
452
15 狗
65 000 1 500
760
60 猫
120 000 120 000 10 000
1 000 蝙蝠
150 000 120 000 7 000
150 海豚
20 000
14 24
1 大象
发声频率 听觉频率
频率 / Hz