《声的利用》教师参考资料

《声的利用》教师参考资料目标1、知识与技能●了解现代技术中与声有关的知识的应用。2、过程与方法●通过观察、参观或看录像等有关的文字、图片、音像资料，获得社会生活中声的利用方面的知识。3、情感、态度与价值观●通过学习，了解声在现代技术中的应用，进一步增加对科学的热爱。说明与建议教材中注意区分了声和声音两个概念。声的概念比较广，包括声音、超声、次声等；而声音的概念相对而言面要窄得多，它仅指人耳能感觉到的那部分声。关于声和声音两个概念，教学中教师注意正确使用即可，不必对学生做出要求。声音在实际生活中有广泛的应用。限于篇幅，课文中只介绍了一部分。本节的教学应鼓励学生自己从生活中的感知或资料查阅中了解利用声的实例和工作原理。另一方面，应发挥学生的想象力，鼓励他们搞利用声音的小发明。学生在日常生活中已经接触过利用声的事例，因此，本节课的引入可以采用“头脑风暴”法。具体做法如下：请同学们说出所了解的利用声的现象；当有人发言时，其他人必须仔细倾听；任何人不得对他人的发言作好坏或正误的评价。所谓“头脑风暴”，在形式上类似于讨论，但前者更加自由、灵活，讨论的环境更加宽松。由于讨论者不必考虑自己的见解是否恰当，因此可以保证每个人充分发表自己的意见。在这种完全自由的情境下，一个人所提出的哪怕是很不成熟的观点也可能激发其他人的思维，产生一系列新的想法。在同学们充分发表了各自的看法后，教师可对声在社会生活中应用的情况进行分类：可以按照课本分为“声与信息”和“声与能量”两类，也可按照声音在医疗、工业、军事、日常生活等方面的利用分类，然后根据分类进行总结性的讲解，在讲解中应对学生们遗漏的例子进行补充。声与信息声呐(SONAR)是英文soundnavigationandranging(声音导航与测距)的缩写。对声呐的系统研究与一艘著名的轮船——“泰坦尼克”号有关。1912年“泰坦尼克”号首次出航即触礁沉没，这件事震惊世界，随即有人提出用声学方法遥测航道上的冰山。紧接着在第一次世界大战中，出于探测敌方潜水艇的需要，对声呐的研究得到了进一步发展。通过这些历史事实引入下文，可能会引起学生的极大兴趣。在讲蝙蝠的声呐系统之前，可以先回顾一下第一节“声速”的概念，通过一个简单的计算题使学生了解“根据回声到来的时间，蝙蝠可以确定目标的位置”。课本图1．5－4是B超图像。在做B超检查时，通常是将一束超声波垂直发射进入人体。超声波在传播时，碰到组织分界面(不同内脏器官分界处、内脏与骨骼分界处以及异物与组织交界处)时就会产生反射。反射波会在同一位置被记录，根据反射波滞后于发射波的时间差，可以知道分界面在体内的深度。如果不断改变发射探头的位置，就可以得到与体表相垂直的纵切面的图像。声与能量演示演示声波递能量时，用可乐瓶自制的教具演示，效果很明显。自制教具的做法是：去掉可乐瓶的瓶底，给开口处蒙上橡皮膜并扎紧。对着火焰敲橡皮膜，由于膜的振动，压缩空气。靠空气的挤压，可将烛焰吹灭。超声波清洗精细机械，主要依靠“空化”效应。超声波在清洗液中疏密相间地向前传播，对液体产生拉伸和挤压作用，使液体内产生数以万计的微小气泡。这些气泡迅速产生，又迅速闭合，形成的瞬间高压，超过大气压的1000倍。连续不断的高压就像一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是对表面比较复杂的工件(如钟表等精密机械的零件表面凹凸不平)，或对清洁度有较高要求的产品(如电子元器件等)，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。人的发声人的发声器官在喉头，由声带、软骨韧带结构的支架、控制声带位置和张力的肌肉群组成。肌肉的活动由神经来支配。声带位于人体喉腔中部，是附着在内壁上的肌肉组织，并呈瓣状，表面覆以粘膜，具有一定的弹性，是发声器官的主要组成部分。两声带间的开口(矢状裂隙)为声门裂(俗称声门)。从气管经喉头、咽部至嘴和鼻孔的管道为声道，如图1－3所示。当空气从肺部经气管呼出时，呈一定张力的声带，由于受气流的不断冲击，引起振动而发声。人的发声是多谐的，其基频的高低取决于声带的长短、张力(松紧)和声门的大小；声音强度则取决于气流的大小和速度。说话时基频范围大约为100Hz～300Hz，男声较低，女声和童声图13人的声道和喉头较高。这是由于男人声带的质量比女人和儿童的大，而张力差不多，所以振动频率较低的缘故。人发声的某些谐波成分可因口、鼻、咽等腔的共振而增强，形成共振峰(表示受迫振动系统的振幅与强迫力频率之间关系的曲线，在共振频率附近，该曲线形似山峰，通常称为共振峰)。各共振峰的频率由这些共振腔的大小和形状决定。发声时通过主动对共振腔的控制便可得到不同的元音。气流通过声道时由于摩擦产生噪声，通过控制声道的缝隙便可得到相应的辅音。胸腔和头部也有共振作用，对人声音的音色有一定的影响。歌唱家的音域在合唱中，一般分四个声部，这四个声部的音域(频率范围)分别是：女高音246．9Hz～987．8Hz，女低音164．8Hz～659．2Hz，男高音110Hz～440Hz，男低音73．4Hz～293．7Hz。深沉的男低音发出的最低音的频率可达65．4Hz。花腔女高音发出的最高音的频率可达1177．2Hz。声强级的单位——分贝物理学上对声波强弱用声强来描述，在实际生活中，人们遇到的声音的强弱变化范围很大，从人耳刚能听到的声音(听阈)，其声强为1pW/m2(10-12W/m2)，到耳朵震痛得难以忍受的声音，其声强为1014pW/m2(102W/m2)，相差1014倍。另外，人们感觉到的声的强弱，并不与声强的大小成比例，而是与其对数值成比例。为了方便，声学中用声强的对数量(叫做声强级)来表示声音的大小。对数的底取10，单位为贝耳，简称贝，但是实际使用中常以1／10贝为单位，叫做分贝。声强级LI=10lg(I/I0)。其中LI是声音的声强级，lg是以10为底的对数，I是声音的声强，I0是声强的基准值，等于1pW/m2。如果某个声音的声强等于基准声强，I/I0=1，LI=0dB；如果I为I0的10倍，LI=10dB；如果I增大为I0的100倍，LI=20dB；如果I是I0的1014倍，LI=140dB。可见，引入声强级的概念后，就把声强相差1014倍的变化范围，改变为0～14dB的变化范围，方便了许多。从声强级的公式可以看出，声强级每变化10dB，就相当于声强变化10倍；而变化20dB，就相当于声强变化100倍；每变化30dB，就相当于声强变化1000倍。因此声强级增大或减小20dB或30dB，声强的变化是很大的。回声回声是我们日常生活中常见的一种声现象。声波在传播过程中，碰到大的反射面(如建筑物的墙壁等)在界面将发生反射，人们把能够与原声区分开的反射声波叫做回声。人耳能辨别出回声的条件是反射声具有足够大的声强，并且与原声的时差须大于0．1s。当反射面的尺寸远大于入射声波长时，听到的回声最清楚。关于回声的应用，声呐装置可谓典型。课本中介绍的用回声测海深、测冰山的距离和敌方潜艇的方位，都是由不同功能的声呐装置完成的。1912年，英国大商船“泰坦尼克”号在赴美途中发生了与冰山相撞沉没的悲剧。这次大的海难事件引起了全世界的关注，为了寻找沉船，美国科学家设计并制造出第一台测量水下目标的回声探测仪，用它在船上发出声波，然后用仪器接收障碍物反射回来的声波信号。测量发出信号和接收信号之间的时间，根据水中的声速就可以计算出障碍物的距离和海的深浅。第一台回声探测仪于1914年成功地发现了3km以外的冰山。实际上这就是现在被广泛应用于国防、海洋开发事业的声呐装置的雏形。第一次世界大战时，德国潜水艇击沉了协约国大量战舰、船只，几乎中断了横跨大西洋的海上运输线。当时潜水艇潜在水下，看不见，摸不着，一时横行无敌。于是利用水声设备搜寻潜艇和水雷就成了关键的问题。法国著名物理学家郎之万等人研究并造出了第一部主动式声呐，1918年在地中海首次接收到(2～3)km以外的潜艇回波。这种声呐可以向水中发射各种形式的声信号，碰到需要定位的目标时产生反射回波，接收回来后进行信号分析、处理，除掉干扰，从而显示出目标所在的方位和距离。第二次世界大战期间，由于战争需要，声呐装置更趋完善。战后，人们开始实验使用军舰上的声呐探测鱼群。不但测到了鱼群，而且还能分辨出鱼的种类和大小。人们在此基础上研制出各种鱼探机，极大地促进了渔业的发展。回声在地质勘探中也有广泛的应用。例如在石油勘探时，常采用人工地震的方法，即在地面上埋好炸药包，放上一列探头，把炸药引爆，探头就可以接收到地下不同层间界面反射回来的声波，从而探测出地下油矿。在建筑方面，设计、建造大的厅堂时，必须把回声现象作为重要因素加以考虑。在封闭的空间里产生声音后，声波就在四壁上不断反射，即使在声源停止辐射后，声音还要持续一段时间，这种现象叫做混响。混响时间太长，会干扰有用的声音。但是混响太短也不好，给人以单调、不丰满的感觉。所以设计师们须采取必要的措施，例如，厅堂的内部形状、结构、吸声、隔声等，以获得适量的混响，提高室内的音质。音色音色又称音品，是听觉感到的声音的特色。纯音不存在音色问题，复音才有音色的不同。音色主要决定于声音的频谱，即基音和各次谐音的组成，也和波形、声压及声音的时间特性有关系，如果留声机的唱片反向转动，声音的频谱虽然未变，音色却显著改变了。这说明音色在很大程度上与各泛音在开始时和终了时振幅上升和下降的特点有关系。音色对电乐器的研制有非常重要的意义。目前正是根据各种乐器声音的频谱、基音和各次谐音的相对强度，用电声方法进行模拟来制作电乐器。音程和音阶音程(频程)指两个音在频率上的间隔，可以用这两个音的频率之比来表示。如音乐中C大调的“1”(Do)音的频率f1=264Hz，“2”(Re)音的频率f2=297Hz，它们之间的音程为f2/f1=9/8。又如C大调中的“6”(La)音的频率f6=440Hz，“7”(Si)音的频率f7=495Hz，它们之间的音程为f7/f6=9/8。“1”和“2”，“6”和“7”，它们的音程是相等的，即等音程。C大调中的“1”(Do′)频率f′1=528，“1”和“1·”之间的音程为f′1/f1=2，这两个音称为相差一倍频程。“1”和“1·”，“2”和“2·”等等，听起来像一个音，只是后者比前者“尖”，它们的音程都是一倍频程，在音乐乐理上称它们之间相距八度，即通常所说的高八度。音乐中由低到高按一定音程的排列叫做音阶(也叫乐律)，音阶有自然音阶(也叫自然律)和等程音阶(也叫平均律)两种，各音的频率关系如下表：音阶不论怎样划分，都是以一个八度为一组，每组音的排列是重复相同的，即这个八度内任意两个音的音程，同下一个八度内对应的两个音的音程是相同的。自然音阶在弹奏和弦(如大三和弦)时听起来很和谐，但变调不方便。等程音阶虽不如自然音阶和谐，但变调方便，所以乐器都采用等程音阶。次声波次声波又称亚声波，它是一种频率低于人的可听声波频率范围的声波。次声波的频率范围大致为10-4Hz～20Hz。次声波产生的声源是相当广泛的，现在人们已经知道的次声源有：火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动，等等。利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸，等等。由于次声波的频率很低，因而它显示出了种种奇特的性质。其中，最显著的特点是传播的距离远，而且不容易被吸收。我们知道，声音在大气层中的衰减，主要是由分子吸收、热传导和粘滞效应所引起的，相应的吸收系数与声波频率的二次方成正比。由于次声波的频率很低，所以在传播过程中大气对它的吸收系数很小。例如，空气对频率为0．1Hz的次声波的吸收系数大约是对频率为1000Hz的声波吸收系数的一亿分之一。由于次声波不容易被吸收，所以它的传播距离就很远。1883年8月27日印度尼西亚的喀拉喀托火山爆发时，它所产生的次声波围绕地球转了三圈，传播了十几万千米。当时，人们利用简单的微气压计曾记录到它。次声波不但“跑”得远，而且它的速度大于风暴传播的速度，所以它就成了海洋风暴来临的前奏曲，人们可以利用次声波来预报风暴的来临。次声波的应用从20世纪50年代开始，并逐渐广泛地被人们所重视。次声波的应用前景大致有这样几个方面：(1)通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。(2)利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。(3)预测自然灾害性事件。许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。(4)次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。(5)通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如，在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰，可以通过测定次声波的特性，进一步揭示电离层扰动的规律。(6)人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且他(或它)们的某些器官也会发出微弱的次声波。因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。超声波的应用频率高于人的听觉上限(约为20000Hz)的声波，称为超声波。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性——超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性——当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功，声波功率就是表示声波作功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用——当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。超声波的技术应用，概括起来主要包括两个方面：(1)超声探伤、测厚、测距、医学诊断和成像。在工业生产中常常运用超声透射法对产品进行无损探测(图1－4)。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收(图1－4甲)。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射(图1－4乙)，这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。在医疗诊断中则常采用回声法：将弱超声波透入人体内部，当超声波遇到脏器的界面时，便发生反射和透射。透射入脏器内部的超声波，再遇到界面时还会再次发生反射和透射，超声波接收器专门接收各次的反射波。医务人员根据所收到的各次反射波的时间间隔和波的强弱，就能够了解到脏器的大小、位置及其内部的病变等。(2)超声处理。超声处理主要是利用它的功率特性和空化作用，改变或者加速改变物质的某些物理、化学、生物特性或状态。利用强超声波进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、医疗、种子处理等，已经广泛地应用于工业、农业、医疗卫生等各个部门。在工业上，利用强超声波对钢铁、陶瓷、宝石、金刚石等坚硬物体进行钻孔和切削加工。平时我们用锤子和钢钎可以一下一下地将坚硬的岩石打出洞来，超声加工也是这个道理。如图1－5所示，紧压在工件上的金属杆叫变幅杆，当绕在它上面的线圈中通过交变电流时，它便产生超声振动而不断地敲击工件。变幅杆下端与工件之间放有金刚砂一类的高强度磨料。在杆的冲击下，磨料的颗粒就像被锤子敲击的钢钎一样錾削着工件。虽然变幅杆的伸缩量很小(只有几十微米)，每次的加工量很小，但由于超声源的频率很高，每秒钟振动在20000次以上，所以工件被“蚕食”的速度是很快的。变幅杆底端的形状是什么样，加工出的工件形状也是什么样。所以，利用超声可以加工出形状复杂的零件，而且加工的精度和光洁度也都很高。录音最初的录音器在1877年由美国人爱迪生发明，它是非常简陋的。在一个喇叭形的筒底上装一块振动膜，图1－6第一台录音器膜的中央连有突出的钢针，针尖触在正在旋转并沿着轴线移动的圆筒上，圆筒上糊着锡纸。对着喇叭说话，薄膜振动，钢针就在锡纸上刻出深浅不同的沟纹来，声音就录在圆筒上了。放音时，让圆筒回到原来的位置，钢针放在原来的起点上，当圆筒旋转而钢针在锡纸的沟纹里划过而跳动的时候，相连的薄膜就重复原来的振动而发出原来的声音。现在，英国的音响博物馆还保存有世界上第一次记录下来的“玛丽有只小羊羔”的珍贵音响资料。后来，录音技术已有很大的进步。录音方法也很多，通常有以下几种。一种方法是把声音的机械振动记录下来。它的原理和最初的录音器一样，只是利用了电子技术，把机械振动先转换成便于放大和传递的电振动，而且不用锡纸圆筒而用圆盘唱片。而利用唱片把声音重放出来的装置是电唱机。录音的原理是：声振动通过话筒转换成电讯号，电讯号放大后驱动切削刀振动，并在旋转的蜡盘上刻出弯弯曲曲的沟槽来，这便是记录的声音。然后用电镀的方法在蜡盘上镀上厚厚的一层铜，脱下铜层装在厚铜板上，就成了压制唱片的铜模。把这个铜模在热而软的胶片上一压，胶片便成了唱片。一张铜模，像印书一样，可以印出许许多多唱片(图1－7)。放音时，把唱片放在电唱机上转动(图1－8)，唱针在唱片的沟槽里划过，沟槽使唱针振动，针的振动带动压电晶体而产生电讯号，电讯号经放大器放大后用扬声器转换为声音。唱片的缺点是记录的信息较少，放音的时间较短，不耐用。因唱针在沟槽内多次摩擦，造成沟槽磨损，会使放出的声音“走调”，而且录音时制作铜模的工艺麻烦。它的优点是唱片可以大量压制。另一种方法是把声振动转换成光信号记录下来，通常用在电影的配音上，见图1－9。观察一条电影胶卷，会看到画面的边上有一条透明程度不同的带，叫做声道，是记录声音的地方。影片放映的时候，一束灯光透过声道照在一只光电管上。光电管是把光的变化转变成电的变化的装置，能随着光照强度的不