揭秘声波五大物理量：频率、声压、声强等的科学原理

揭秘声波五大物理量：频率、声压、声强等的科学原理

声波是自然界中常见的物理现象，它不仅承载着丰富的信息，还与我们的日常生活息息相关。本文将从多个维度深入探讨声波的物理量，包括频率、声压、声压级、声强与声强级以及声功率与声功率级，帮助读者更好地理解声波的特性。

一、频率

频率是描述声波振动快慢的物理量，它反映了单位时间内完成振动的次数。频率的单位是赫兹（Hz）。例如，标准钢琴的中央C音，每秒钟振弦261次半，即261.5 Hz。

简单来说，频率越低，声音就越低沉、飘渺；反之频率越高，声音则越明亮、高吭。对于各种生物来说，太高和太低的声音是听不见的，存在一个“可听范围”。人的平均听觉范围是 20～20000 Hz。即次声频率低于20HZ、可闻声率20～20000 Hz、超声频率高于20000HZ。生物的嗓音频率也不能无限地高或低，存在一个“发声范围”： 80～3400 Hz。

日常生活中的大多数声音都不是纯音，而是由很多种频率和形状的声波混合而成，只有其中占主要地位的那个频率成分才被耳朵认为是该声音的“高度”。其他成分（谐波/泛音）虽然不能控制声音高度，却协助主要频率成分共同营造出声音的另外一个特征——音色。正是由于各人的音色不同，所以在听者耳朵里同一频率的声音依然存在差异。

二、声压

声音的大小在专业领域称为“声压/音强”，意指声音纵波对受体的物理压力。对于同一音源来说，振动的越激烈（振幅越大），声压就越强，声音就越大。

人耳能听到的最低声压是0.0002μbar，这个极限称为可闻阈。当声压增大到（200~2000）μbar时，人耳会产生难受的感觉，有痛感，故把这个范围称为痛阈。

声音发出导致话筒内部线圈切割磁场产生电流，从而发电。声压的单位是帕斯卡（pa），其计算公式为：

声压（p）的平方=声强（I）×介质密度（ρ）×声速（C）

其中，声强单位是：W/m2 密度单位：kg/m3 声速：m/s

声波通过媒质时，由于振动所产生的压强改变量。它是随时间变化的，实测声压是它的有效值。单位是Pa或MPa。表示声压大小的指标称为声压级（sound pressure level），用某声音的声压（p）与基本声压值（p0）之比的常用对数的20倍来表示，即20lgP/P0，单位为dB。

三、声压级

实验证明：人耳对声压强弱的感觉是与声压的对数成正比的。因此引入声压级的概念。

式中p为声压，pt 为参考声压，规定取1KHZ的可闻阈声压，即pt =2× 10-4μbar。声压级的单位是分贝（dB）。

一般正常谈话的声压为50～60dB。繁华街道为80～90dB。人耳能承受的声压极限为130～140dB，超越这个极限之后就有可能对听觉器官造成严重的甚至永久的伤害。

四、声强与声强级

单位时间内通过与制定方向垂直的媒质单位面积的能量称为声强。

声强级是声强相对于参考声强的分贝值

声传播时也伴随着能量的传播．用单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的能量(声波的能量流密度)表示．声强的单位是瓦/平方米．声强的大小与声速、声波的频率的平方、振幅的平方成正比．超声波的声强大是因为其频率很高，炸弹爆炸的声强大是因为振幅大．

声音强度由振动幅度的大小决定，以能量来计算称声强，以压力计算表示时称声压。声强（I）与声压（P）的关系为：

I=（PP）/(ρv)（此时P为有效值，若P为幅值，则I=(P^2)/(2ρv)）

其中ρ-介质密度，v-声速

公式

w=U^2Ra. W——声功率。U——流体的体积速度。Ra——声源的辐射电阻

声强又常以声功率Lw表示。

五、声功率与声功率级

声源在单位时间内辐射的总的声能量，被称为声源辐射功率，简称声功率。

声功率级为某声功率W与基准声功率w0 之比，取以10为底得对数再乘以10。