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第第13章章 机械波机械波§13.1 机械波的形成与图像机械波的形成与图像 几个概念几个概念§13.2 平面简谐波的波函数平面简谐波的波函数§13.3 波的能量波的能量§13.4 惠更斯原理惠更斯原理 波的衍射、反射和折射波的衍射、反射和折射§13.5 波的干涉波的干涉* §13.6 声波声波 超声波超声波 次声波次声波* *§§13.7 多普勒效应多普勒效应内容提要内容提要8/19/2024振动振动: 于平衡位置，无随波逐流于平衡位置，无随波逐流.波动波动:机械波机械波：机械振动在弹性介质中的传播过程：机械振动在弹性介质中的传播过程.电磁波电磁波：：交变电磁场在空间的传播过程交变电磁场在空间的传播过程.物质波物质波：：微观粒子的运动微观粒子的运动, 其本身具有的波粒二象性其本身具有的波粒二象性. 波动的种类波动的种类: 振动的传播过程振动的传播过程. 8/19/2024波动的共同特征：波动的共同特征： 具有一定的传播速度，具有一定的传播速度，且都伴有能量的传播能产且都伴有能量的传播能产生反射、折射、干涉和衍射生反射、折射、干涉和衍射等现象等现象.水波水波声波声波声波声波天天线线发发射射出出电电磁磁波波8/19/2024§13.113.1 机械波的产生、传播和描述机械波的产生、传播和描述13.1.1 波的基本概念波的基本概念 条件条件波源：波源：作机械振动的物体作机械振动的物体. .｛1 1. .机械波机械波: :机械振动以一定速度在弹性介质中由近及远机械振动以一定速度在弹性介质中由近及远地传播出去，就形成机械波地传播出去，就形成机械波. .弹性介质：弹性介质：承担传播振动的物质承担传播振动的物质. .机械振动只能在弹性介质机械振动只能在弹性介质中传播中传播. .说明说明2. 2. 横波与纵波横波与纵波横波与纵波横波与纵波横波：横波：纵波：纵波：质元的振动方向与波的传播方向垂直质元的振动方向与波的传播方向垂直.质元的振动方向与波的传播方向平行质元的振动方向与波的传播方向平行.8/19/2024振动曲线振动曲线ty结论结论(1) 波动中各质点并不随波前进；波动中各质点并不随波前进；yx波动曲线波动曲线(2) 各个质点的相位依次落后各个质点的相位依次落后, ,波波 动是相位的传播；动是相位的传播；(3) 波动曲线与振动曲线不同波动曲线与振动曲线不同. .8/19/20243. 波的几何描述波的几何描述在波传播过程中，任一时刻媒质中振动相位在波传播过程中，任一时刻媒质中振动相位相同的点构成的曲面相同的点构成的曲面.沿波的传播方向作的有方向的线沿波的传播方向作的有方向的线.波面波面:波线波线:波前波前:波传播过程中波传播过程中, 某一时刻最前面的波面某一时刻最前面的波面.在各向同性均匀媒质中，在各向同性均匀媒质中，波线波线⊥⊥波面波面.注意注意8/19/202413.1.2 波速波速 波长波长 周期（频率）周期（频率）同一波线上相邻两个相位差为同一波线上相邻两个相位差为 2 2  的质点的质点之间的之间的距离距离；即；即波源作一次完全振动，波前进的距离波源作一次完全振动，波前进的距离. .波前进一个波长距离所需的时间波前进一个波长距离所需的时间. . 周期表征了波的周期表征了波的时间周期性时间周期性. .单位时间内，波前进距离中完整波的数目单位时间内，波前进距离中完整波的数目. . 频率与周期的关系为频率与周期的关系为: :振动状态在媒质中的传播速度振动状态在媒质中的传播速度. . 波速与波长、周期和频率的关系为波速与波长、周期和频率的关系为: :波长反映了波的波长反映了波的空间周期性空间周期性. .8/19/2024(1) 波的周期和频率与媒质的性质无关波的周期和频率与媒质的性质无关; 一般情况下一般情况下, 与波源振动的周期和频率相同与波源振动的周期和频率相同.a. 拉紧的绳子或弦线中横波的波速为：拉紧的绳子或弦线中横波的波速为： b. 均匀细棒中，纵波的波速为：均匀细棒中，纵波的波速为：(2) 波速实质上是相位传播的速度波速实质上是相位传播的速度, 故称为相速度故称为相速度; 其其 大小主要决定于媒质的性质大小主要决定于媒质的性质, 与波的频率无关与波的频率无关.说明说明— 张力张力— 线密度线密度— 固体棒的杨氏模量固体棒的杨氏模量— 固体棒的密度固体棒的密度例如：例如：8/19/2024d. 液体和气体只能传播纵波，其波速由下式给出液体和气体只能传播纵波，其波速由下式给出: :c. 固体媒质中传播的横波速率由下式给出：固体媒质中传播的横波速率由下式给出：— 固体的切变弹性模量固体的切变弹性模量— 固体密度固体密度— 流体的容变弹性模量流体的容变弹性模量— 流体的密度流体的密度 e. 稀薄大气中的纵波波速为稀薄大气中的纵波波速为: :— 气体摩尔热容比气体摩尔热容比— 气体摩尔质量气体摩尔质量— 气体摩尔常数气体摩尔常数8/19/2024§13.213.2 平面简谐波的波函数平面简谐波的波函数波面为平面的简谐波波面为平面的简谐波.平面简谐波平面简谐波:简谐波简谐波:介质传播的是谐振动，且波所到之处，介质介质传播的是谐振动，且波所到之处，介质中各质点作同频率的谐运动中各质点作同频率的谐运动.13.2.1 平面简谐波的描述平面简谐波的描述 波函数波函数一、波函数一、波函数:设设波源的振动表达式为波源的振动表达式为(x＝＝0)：：简谐振动简谐振动平面简谐波的波函数平面简谐波的波函数8/19/2024从时间看从时间看, P 点点 t 时刻的位移是时刻的位移是O点点时刻的位移时刻的位移.P点的振动表达式：点的振动表达式：即即 t=x/u时时, P点的振动状态与点的振动状态与O点点t=0时的状态相同时的状态相同. ——平面简谐波的波函数平面简谐波的波函数8/19/2024将将代入代入上式上式波函数的波函数的其它形式其它形式 如果波沿如果波沿x 轴的负方向传播，则轴的负方向传播，则P点的相位要比点的相位要比O点的相位点的相位超前超前. 则波函数则波函数为为:8/19/2024讨论波函数的物理意义讨论波函数的物理意义(1) 当当 x = x 0 (常数常数) 时，时， 表示表示x0处质元的振动表达式处质元的振动表达式.(2) 当当 t = t 0 (常数常数) 时，时，表示各质元的位移分布函数表示各质元的位移分布函数.对应函数曲线对应函数曲线——波形图波形图.8/19/2024yxOx1x2u(3) 波形图的分析：波形图的分析：a. 可表示振幅可表示振幅A，，A波长波长λ；；λb. 波形图中波形图中 x1 和和 x2 两质点的相位差两质点的相位差:相位差：相位差：波程差波程差:x2>x1, <0，，说明说明 x2 处质点振动的相位总落后于处质点振动的相位总落后于x1处质点的振动；处质点的振动；8/19/2024yxOx1x2uAλu△△td. 各质点的振动速度的方向：各质点的振动速度的方向：(4) 振动质点的速度与加速度：振动质点的速度与加速度：c. 从某一时刻的波形图，经一段时间从某一时刻的波形图，经一段时间 后的波形后的波形图：图： 将波形沿波速方向平移将波形沿波速方向平移. 8/19/2024如图，如图，在下列情况下试求波函数在下列情况下试求波函数(设波速为设波速为u)：：(3) 若若 u 沿沿 x 轴负向，以上两种情况又如何？轴负向，以上两种情况又如何？例例: (1) 以以 A 为原点；为原点；(2) 以以 B 为原点；为原点；BA已知已知A 点的振动方程为：点的振动方程为：  (1)在在 x 轴上任取一点轴上任取一点P ，该点，该点 (2) 振动方程为：振动方程为：波函数为：波函数为：解解:P BA   8/19/2024(2) B 点振动方程为：点振动方程为：(3) 以以 A 为原点：为原点：以以 B 为原点：为原点：波函数为波函数为:8/19/2024一平面简谐波沿一平面简谐波沿x轴正方向传播，已知其波函数为轴正方向传播，已知其波函数为:标准形式标准形式:波函数为波函数为:比较可得比较可得:例例:解解:(1) 波的振幅、波长、周期及波速；波的振幅、波长、周期及波速；(2) 质点振动的最大速度质点振动的最大速度.求求:(1)(2)8/19/2024例例: 已已知知t=0时时的的波波形形曲曲线线为为Ⅰ，，波波沿沿x方方向向传传播播，，经经t=1/2s后后波波形形变变为为曲曲线线Ⅱ。

已已知知波波的的周周期期T>1s，，试试根根据据图图中中绘绘出出的的条条件件求求出出波波动动表表达达式式，，并并求求A点点的的振振动动表达式已知已知A=0.01m)解：解：由图可知由图可知:波速：波速：原点振动表达式：原点振动表达式：y(cm)x(cm)123456ⅡⅠA8/19/2024波动表达式：波动表达式：A点振动表达式：点振动表达式：8/19/2024*13.2.2 波动方程波动方程由由知知 (2) 不仅适用于机械波，也广泛地适用于电磁波、热传导、不仅适用于机械波，也广泛地适用于电磁波、热传导、化学中的扩散等过程；化学中的扩散等过程；(1) 上式是一切平面波所满足的微分方程（正、反传播）；上式是一切平面波所满足的微分方程（正、反传播）；(3) 若物理量是在三维空间中以波若物理量是在三维空间中以波的形式传播，波动方程为右式的形式传播，波动方程为右式.说明说明8/19/202413.3.1 波动能量的传播波动能量的传播§13.313.3 波的能量波的能量波动波动过程过程质元由静止开始振动质元由静止开始振动质元也发生形变质元也发生形变波动过程是能波动过程是能量的传播过程量的传播过程以平面简谐纵波在直棒中的传播为例：以平面简谐纵波在直棒中的传播为例：设波沿设波沿x 方向传播方向传播波动表达式：波动表达式：1. 介质元的能量介质元的能量1) 介质元的振动动能：介质元的振动动能：8/19/20242) 介质元的弹性势能：介质元的弹性势能：8/19/20243) 介质元的总能量：介质元的总能量：结论结论(1) 介质元介质元dV 的总能量：的总能量：——周期性变化周期性变化(2) 介质元的动能、势能变化是同周期的，且相等介质元的动能、势能变化是同周期的，且相等.(3) 机械能不守恒，因为不是孤立体系，有能量传播机械能不守恒，因为不是孤立体系，有能量传播.(4) 最大位移处最大位移处:平衡位置处平衡位置处:8/19/20242. 波的能量密度波的能量密度单位体积介质中的波动能量单位体积介质中的波动能量.1) 能量密度：能量密度：2) 平均能量密度：平均能量密度：单位单位: J·m-3结论结论 机械波的能量与机械波的能量与振幅的平方振幅的平方、、频率的平方频率的平方以及以及介质的密度介质的密度成正比成正比.一个周期内的平均值一个周期内的平均值.8/19/202413.3.2 能流和能流密度能流和能流密度单位时间内垂直通过介质单位时间内垂直通过介质中某一面积的波的能量．中某一面积的波的能量．Suu能流能流(P)：：平均能流：平均能流：能流密度能流密度(波的强度波的强度)：：　　单位时间内流过垂直于波传播方向的单位面积　　单位时间内流过垂直于波传播方向的单位面积的波的平均能量．的波的平均能量．一个周期内的平均值一个周期内的平均值.单位单位: W·m-28/19/202413.3.3 波能量的吸收波能量的吸收吸收媒质吸收媒质, ,实验表明：实验表明：O  为为介质吸收系数介质吸收系数，与介质的性质、温度、及波的频率有关．，与介质的性质、温度、及波的频率有关．IxIxI0I0O8/19/2024§§13.413.4 惠更斯原理惠更斯原理 波的衍射、反射和折射波的衍射、反射和折射13.4.1 惠更斯原理惠更斯原理　　介质中波动传播到的各点，都可以看成是发射　　介质中波动传播到的各点，都可以看成是发射子波的波源，而在其后的任一时刻，这些子波的包子波的波源，而在其后的任一时刻，这些子波的包络面就是新的波前．络面就是新的波前．子波波源子波波源波前波前子波子波8/19/20241 1. . 媒质中波动各点皆可当作球面子波的媒质中波动各点皆可当作球面子波的媒质中波动各点皆可当作球面子波的媒质中波动各点皆可当作球面子波的媒质中波动各点皆可当作球面子波的媒质中波动各点皆可当作球面子波的新波源新波源新波源新波源；；；；；；2 2. . 任意时刻各子波源所发出子波的任意时刻各子波源所发出子波的任意时刻各子波源所发出子波的任意时刻各子波源所发出子波的任意时刻各子波源所发出子波的任意时刻各子波源所发出子波的包迹包迹包迹包迹即为即为即为即为即为即为新波阵面新波阵面新波阵面新波阵面新波阵面新波阵面。

8/19/202413.4.2 波的衍射波的衍射1. 波的衍射现象：波的衍射现象：波在传播的过程中遇到障碍物或波在传播的过程中遇到障碍物或小孔后，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象小孔后，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象.8/19/20246.4.3 波的反射和折射波的反射和折射由图可得到，折射率由图可得到，折射率: :8/19/2024§13.513.5 波的叠加波的叠加13.5.1 波的叠加原理波的叠加原理1. 波传播的独立性原理波传播的独立性原理 几列波在空间某点相遇后，每一列波都能独立几列波在空间某点相遇后，每一列波都能独立地保持自己原有的特性地保持自己原有的特性(频率，波长，振幅，振动方频率，波长，振幅，振动方向向)传播，就像在各自的路程中，并没有遇到其他波传播，就像在各自的路程中，并没有遇到其他波一样一样.2. 波的叠加原理波的叠加原理 在波相遇区域内，任一在波相遇区域内，任一质点的振动，为各波单独存质点的振动，为各波单独存在时所引起的振动的合振动在时所引起的振动的合振动.8/19/202413.5.2 波的干涉条件和公式波的干涉条件和公式1. 干涉现象：干涉现象： 两列波在空间相遇两列波在空间相遇(叠加叠加)时，介质中有些点的振动始时，介质中有些点的振动始终加强，有些点的振动始终终加强，有些点的振动始终减弱或完全消失的现象减弱或完全消失的现象.3. 相干波相干波:2. 相干条件相干条件: 频率相同、振动方向相同、相位差恒定频率相同、振动方向相同、相位差恒定. .4. 相干波源相干波源:满足相干条件的波满足相干条件的波.产生相干波的波源产生相干波的波源.8/19/20245. 干涉规律干涉规律根据叠加原理可知，根据叠加原理可知，P 点处振动方程为点处振动方程为:S1S2合振动的振幅合振动的振幅:PP 点处波的强度点处波的强度:S1S2P8/19/2024相位差相位差当当干涉相长干涉相长当当干涉相消干涉相消• 空间点振动的情况分析空间点振动的情况分析:8/19/2024讨论讨论干涉相长干涉相长(1) 若若(2) 若若干涉相消干涉相消干涉相长干涉相长干涉相消干涉相消从能量上看，当两相干波发生干涉时，在两波交叠的区域，从能量上看，当两相干波发生干涉时，在两波交叠的区域，合成波在空间各处的强度并不等于两个分波强度之和，而合成波在空间各处的强度并不等于两个分波强度之和，而是发生重新分布。

这种新的强度分布是时间上稳定的、空是发生重新分布这种新的强度分布是时间上稳定的、空间上强弱相间具有周期性的一种分布间上强弱相间具有周期性的一种分布令令——波程差波程差8/19/2024例例: AB为两个相干波源为两个相干波源, 振幅均为振幅均为5cm, 频率为频率为100Hz，，波速为波速为10m/s. A点为波峰时点为波峰时, B点恰为波谷点恰为波谷, 试确定试确定两列波在两列波在P点干涉的结果点干涉的结果.15mABP20m解：解： 依题意依题意设设π的奇数倍，的奇数倍， 干涉为零，干涉为零，P点静止点静止.8/19/2024例例: 两相干波源两相干波源S1和和S2的间距为的间距为d = 30m, 均在均在x 轴上轴上, S1位于原点位于原点O. 设两波源分别发出两列平面波沿设两波源分别发出两列平面波沿 x 轴传轴传播播,强度保持不变强度保持不变. x1 =9m 和和 x2=12m处的两点是相邻处的两点是相邻的两个因干涉而静止的点的两个因干涉而静止的点. OS1S2x1x2x解：解： 设设S1和和S2的振动相位分别为的振动相位分别为:依题意依题意x1点的振动相位差：点的振动相位差：----------- (1)求求: 两波长及两波源间最小相位差两波长及两波源间最小相位差. .8/19/2024x2点的振动相位差：点的振动相位差：----------- (2)(2)-(1):由由(1)式式当当k = -2，，-3时位相差最小，故时位相差最小，故8/19/202413.5.3 驻波驻波1.驻波驻波：：两列振幅相同的相干波相向传播时叠加形成两列振幅相同的相干波相向传播时叠加形成的波称为的波称为驻波驻波. 驻波是波的一种干涉现象驻波是波的一种干涉现象. 驻波的波形特点驻波的波形特点8/19/20242. 驻波方程驻波方程设设 x = 0 处两波初相均为处两波初相均为0, 即即:讨论讨论即驻波是各质点振幅按余弦分布即驻波是各质点振幅按余弦分布的特殊谐振动；的特殊谐振动；(1)8/19/2024波腹波腹(A′= A′max)：：波节波节(A′= A′min)：：相邻两相邻两波腹波腹之间的距离：之间的距离：相邻两相邻两波节波节之间的距离：之间的距离：8/19/2024(2) 所有波节点将媒质划分为长所有波节点将媒质划分为长 的许多段的许多段;每段中各质点的振动振幅不同，但相位皆相同；每段中各质点的振动振幅不同，但相位皆相同；而相邻段间各质点的振动相位相反而相邻段间各质点的振动相位相反; 相位中没有相位中没有x 坐标，坐标，没有相位的传播没有相位的传播.x波节波节波腹波腹(3) 没有波形的推进，也没有能量的传播，参与波没有波形的推进，也没有能量的传播，参与波动动 的各个质点处于稳定的振动状态的各个质点处于稳定的振动状态.8/19/2024例例: 在弦线上有一简谐波，其表达式为：在弦线上有一简谐波，其表达式为：为了在此弦线上形成驻波，并且在为了在此弦线上形成驻波，并且在x = 0处为一波节，处为一波节，此弦上还应有一简谐波，此弦上还应有一简谐波，求求其表达式其表达式.解：解： 依题意设反向波为依题意设反向波为:因为因为x = 0处为波节，处为波节，8/19/20243. 驻波的能量驻波的能量ABC波波节节波波腹腹位移最大时位移最大时平衡位置时平衡位置时 驻波的能量在相邻的波腹和波节间往复变化驻波的能量在相邻的波腹和波节间往复变化, 在相在相邻的波节间发生动能和势能间的转换邻的波节间发生动能和势能间的转换, 动能动能主要集中在主要集中在波腹波腹, 势能势能主要集中在主要集中在波节波节, 但无能量的定向传播但无能量的定向传播.8/19/20241) 入射波与反射波产生驻波入射波与反射波产生驻波振源振源固定端反射固定端反射软绳自由端反射自由端反射当形成驻波时总是出现波腹总是出现波腹总是出现波节总是出现波节4. 半波损失半波损失8/19/20242)半波损失半波损失波密介质：波密介质：密度密度 与波速与波速u的乘积的乘积  u较大的介质较大的介质.波疏介质：波疏介质：密度密度 与波速与波速u的乘积的乘积  u较小的介质较小的介质. 入射波入射波驻波反射波反射波波密介质波密介质波波疏介质疏介质 由波疏介质入射由波疏介质入射, 在波密介质界面上反射在波密介质界面上反射, 在界面在界面处处, 反射波的振动相位总是与入射波的振动相位相反，反射波的振动相位总是与入射波的振动相位相反，即差了即差了 ; 形成驻波时形成驻波时, 总是出现波节总是出现波节. 相位差了相位差了  ，相当于波程差了，相当于波程差了称为称为“半波损失半波损失”.8/19/20245. 振动的简正模式振动的简正模式驻波条件驻波条件:本征频率本征频率:1. 两端固定的弦线形成驻波两端固定的弦线形成驻波2. 一端固定一端自由的弦线形成驻波一端固定一端自由的弦线形成驻波8/19/20241 1 1 1、什么是声波？、什么是声波？、什么是声波？、什么是声波？ 在弹性介质中传播的机械纵波，一般在弹性介质中传播的机械纵波，一般在弹性介质中传播的机械纵波，一般在弹性介质中传播的机械纵波，一般统称为声波。

其中频率在统称为声波其中频率在统称为声波其中频率在统称为声波其中频率在20202020～～～～20 000Hz20 000Hz20 000Hz20 000Hz范范范范围，能够被人耳听到，称为可听声，简称围，能够被人耳听到，称为可听声，简称围，能够被人耳听到，称为可听声，简称围，能够被人耳听到，称为可听声，简称声波；频率低于声波；频率低于声波；频率低于声波；频率低于20Hz20Hz20Hz20Hz或高于　或高于　或高于　或高于　20 000Hz20 000Hz20 000Hz20 000Hz的的的的声波不能被人耳听到，前者叫做次声波；声波不能被人耳听到，前者叫做次声波；声波不能被人耳听到，前者叫做次声波；声波不能被人耳听到，前者叫做次声波；后者便叫超声波后者便叫超声波后者便叫超声波后者便叫超声波蝴蝶每秒振翅蝴蝶每秒振翅5 ~ 6次次蜜蜂每秒振翅蜜蜂每秒振翅300 ~ 400次§13.613.6 声波声波8/19/2024 人们能够听见的声波不仅受到频率范围的限制，人们能够听见的声波不仅受到频率范围的限制，人们能够听见的声波不仅受到频率范围的限制，人们能够听见的声波不仅受到频率范围的限制，而且要求处于一定的声强范围之内，声强太小，不能而且要求处于一定的声强范围之内，声强太小，不能而且要求处于一定的声强范围之内，声强太小，不能而且要求处于一定的声强范围之内，声强太小，不能引起听觉；声强太大，只能使耳朵产生痛觉，也不能引起听觉；声强太大，只能使耳朵产生痛觉，也不能引起听觉；声强太大，只能使耳朵产生痛觉，也不能引起听觉；声强太大，只能使耳朵产生痛觉，也不能引起听觉。

能够引起人们听觉的声强的变化范围是很引起听觉能够引起人们听觉的声强的变化范围是很引起听觉能够引起人们听觉的声强的变化范围是很引起听觉能够引起人们听觉的声强的变化范围是很大的，约为大的，约为大的，约为大的，约为 ，数量级相差很大达，数量级相差很大达，数量级相差很大达，数量级相差很大达 ，，，，因此，为了比较介质中各点声波的强弱，不是使用声因此，为了比较介质中各点声波的强弱，不是使用声因此，为了比较介质中各点声波的强弱，不是使用声因此，为了比较介质中各点声波的强弱，不是使用声强，而是使用两声强之比的以强，而是使用两声强之比的以强，而是使用两声强之比的以强，而是使用两声强之比的以10101010为底的对数值，叫做为底的对数值，叫做为底的对数值，叫做为底的对数值，叫做声强级，声强级，声强级，声强级， 2 2、声强：即声波的能流密度可表示为、声强：即声波的能流密度可表示为、声强：即声波的能流密度可表示为、声强：即声波的能流密度可表示为8/19/2024式中式中式中式中I I0 0为基准声强，取为为基准声强，取为为基准声强，取为为基准声强，取为1010-12-12WmWm-2-2. .3 3、声强级：指相对声强的对数。

可表示为、声强级：指相对声强的对数可表示为、声强级：指相对声强的对数可表示为、声强级：指相对声强的对数可表示为8/19/2024声声阈阈dBHz频率频率语音范围语音范围疼痛界限疼痛界限音乐范围音乐范围听觉界限听觉界限声声强强级级可闻阈可闻阈 痛觉阈痛觉阈痛觉阈痛觉阈：恰好能引起痛觉的最低声强恰好能引起痛觉的最低声强恰好能引起痛觉的最低声强恰好能引起痛觉的最低声强 听觉阈听觉阈听觉阈听觉阈：恰好能引起听觉的最低声强恰好能引起听觉的最低声强恰好能引起听觉的最低声强恰好能引起听觉的最低声强 声强的上下限声强的上下限声强的上下限声强的上下限值随频率而异值随频率而异值随频率而异值随频率而异 8/19/2024噪声有两种意义：噪声有两种意义：噪声有两种意义：噪声有两种意义：1 1 1 1、物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动物理上指不规则的、间歇的或随机的声振动2 2 2 2、指任何难听的、不和谐的声或干扰指任何难听的、不和谐的声或干扰指任何难听的、不和谐的声或干扰指任何难听的、不和谐的声或干扰 噪声是由不同频率、不同振幅的声音无规则地组噪声是由不同频率、不同振幅的声音无规则地组噪声是由不同频率、不同振幅的声音无规则地组噪声是由不同频率、不同振幅的声音无规则地组合在一起而出现的。

广义上说，任何不需要的声音都合在一起而出现的广义上说，任何不需要的声音都合在一起而出现的广义上说，任何不需要的声音都合在一起而出现的广义上说，任何不需要的声音都属噪声；狭义上说，噪声是指大于属噪声；狭义上说，噪声是指大于属噪声；狭义上说，噪声是指大于属噪声；狭义上说，噪声是指大于 90909090 dB dB dB dB 以上，对以上，对以上，对以上，对人的工作、健康有影响的声音人的工作、健康有影响的声音人的工作、健康有影响的声音人的工作、健康有影响的声音 强烈的噪声（强烈的噪声（强烈的噪声（强烈的噪声（160 160 160 160 dBdBdBdB以上）不仅可损坏建筑物，而以上）不仅可损坏建筑物，而以上）不仅可损坏建筑物，而以上）不仅可损坏建筑物，而且还会使发声体本身因疲劳而受到破坏且还会使发声体本身因疲劳而受到破坏且还会使发声体本身因疲劳而受到破坏且还会使发声体本身因疲劳而受到破坏 噪声污染问题引起人们广泛关注大于噪声污染问题引起人们广泛关注大于噪声污染问题引起人们广泛关注大于噪声污染问题引起人们广泛关注大于 90dB 90dB 90dB 90dB 的的的的声响，将导致噪声污染。

声响，将导致噪声污染声响，将导致噪声污染声响，将导致噪声污染8/19/20241 1、、、、超声波的特点超声波的特点超声波的特点超声波的特点——2 2、次声波的特点、次声波的特点、次声波的特点、次声波的特点——㊀㊀㊀㊀绕射性好；绕射性好；绕射性好；绕射性好；㊁㊁㊁㊁传播距离远能量损失少传播距离远能量损失少传播距离远能量损失少传播距离远能量损失少二、超声波、次声波特点二、超声波、次声波特点㊀㊀㊀㊀定向性好；定向性好；定向性好；定向性好；㊁㊁㊁㊁具有比声波大的多的能量；具有比声波大的多的能量；具有比声波大的多的能量；具有比声波大的多的能量；㊂㊂㊂㊂具有强穿透能力具有强穿透能力具有强穿透能力具有强穿透能力8/19/2024三、超声波和次声波的应用三、超声波和次声波的应用 1)1)1)1)超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多．水声超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多．水声超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多．水声超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多．水声测位仪就是根据超声波的这种特性制成的装置，这种装置既测位仪就是根据超声波的这种特性制成的装置，这种装置既测位仪就是根据超声波的这种特性制成的装置，这种装置既测位仪就是根据超声波的这种特性制成的装置，这种装置既能发出短促的超声波脉冲．又能接收被潜艇、鱼群或海底反能发出短促的超声波脉冲．又能接收被潜艇、鱼群或海底反能发出短促的超声波脉冲．又能接收被潜艇、鱼群或海底反能发出短促的超声波脉冲．又能接收被潜艇、鱼群或海底反射回来的超声波，根据反射波滞后的时间和波速，就可以确射回来的超声波，根据反射波滞后的时间和波速，就可以确射回来的超声波，根据反射波滞后的时间和波速，就可以确射回来的超声波，根据反射波滞后的时间和波速，就可以确定潜艇、鱼群的位置或海水深度．定潜艇、鱼群的位置或海水深度．定潜艇、鱼群的位置或海水深度．定潜艇、鱼群的位置或海水深度．1 1、、、、超声波的应用超声波的应用超声波的应用超声波的应用8/19/20242) 2) 2) 2) 超声波探伤，由于超声波的穿透能力很强，可以制成超声波探伤，由于超声波的穿透能力很强，可以制成超声波探伤，由于超声波的穿透能力很强，可以制成超声波探伤，由于超声波的穿透能力很强，可以制成 超声波探伤仪，用来探查金属内部的缺陷．超声波探伤仪，用来探查金属内部的缺陷．超声波探伤仪，用来探查金属内部的缺陷．超声波探伤仪，用来探查金属内部的缺陷． 4 4 4 4）利用超声波作用于人体时．机体细胞受到振荡和刺激，）利用超声波作用于人体时．机体细胞受到振荡和刺激，）利用超声波作用于人体时．机体细胞受到振荡和刺激，）利用超声波作用于人体时．机体细胞受到振荡和刺激， 可起按摩作用，治疗神经痛等疾患．可起按摩作用，治疗神经痛等疾患．可起按摩作用，治疗神经痛等疾患．可起按摩作用，治疗神经痛等疾患．3 3 3 3）利用超声波可进行）利用超声波可进行）利用超声波可进行）利用超声波可进行“ “B B B B超超超超” ”，就是利用超声波的发射，来探，就是利用超声波的发射，来探，就是利用超声波的发射，来探，就是利用超声波的发射，来探 查人体内部的各种器官、组织等有无异常，还可以确定肿查人体内部的各种器官、组织等有无异常，还可以确定肿查人体内部的各种器官、组织等有无异常，还可以确定肿查人体内部的各种器官、组织等有无异常，还可以确定肿 瘤的有无、位置和大小等等．瘤的有无、位置和大小等等．瘤的有无、位置和大小等等．瘤的有无、位置和大小等等．5 5 5 5）用超声波消毒灭菌也是有效的．例如用超声波来给牛奶）用超声波消毒灭菌也是有效的．例如用超声波来给牛奶）用超声波消毒灭菌也是有效的．例如用超声波来给牛奶）用超声波消毒灭菌也是有效的．例如用超声波来给牛奶 消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对营养成分的破坏．消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对营养成分的破坏．消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对营养成分的破坏．消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对营养成分的破坏．8/19/20246 6 6 6）利用超声波可以把普通水）利用超声波可以把普通水）利用超声波可以把普通水）利用超声波可以把普通水“ “打碎打碎打碎打碎” ”成直径仅为几微米的小成直径仅为几微米的小成直径仅为几微米的小成直径仅为几微米的小水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大房间中空气的水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大房间中空气的水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大房间中空气的水珠，变成雾气喷散到房间的空气中，增大房间中空气的湿度，这就是湿度，这就是湿度，这就是湿度，这就是“ “超声加湿器超声加湿器超声加湿器超声加湿器” ”的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理．．8/19/20247 7 7 7）超声波还可以把药物击碎成微粒和空气混合形成）超声波还可以把药物击碎成微粒和空气混合形成）超声波还可以把药物击碎成微粒和空气混合形成）超声波还可以把药物击碎成微粒和空气混合形成“ “药雾药雾药雾药雾” ”，病人吸入后，可以治疗肺部和气管类疾病，病人吸入后，可以治疗肺部和气管类疾病，病人吸入后，可以治疗肺部和气管类疾病，病人吸入后，可以治疗肺部和气管类疾病 ．（下图为超．（下图为超．（下图为超．（下图为超声波雾化器）声波雾化器）声波雾化器）声波雾化器）8/19/2024 1 1 1 1）次声波产生与地球、海洋及大气的大规模运动有关。

次声波产生与地球、海洋及大气的大规模运动有关次声波产生与地球、海洋及大气的大规模运动有关次声波产生与地球、海洋及大气的大规模运动有关如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生人们就可以如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生人们就可以如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生人们就可以如火山爆发、地震、大气湍流等都有次声波产生人们就可以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例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于例如台风和海浪摩擦产生的次声波，由于它的传播速度远快于台风移动速度，因此，人们利用一种叫台风移动速度，因此，人们利用一种叫台风移动速度，因此，人们利用一种叫台风移动速度，因此，人们利用一种叫“ “水母耳水母耳水母耳水母耳” ”的仪器，监的仪器，监的仪器，监的仪器，监测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报．还可以测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报．还可以测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报．还可以测风暴发出的次声波，即可在风暴到来之前发出警报．还可以通过研究自燃现象产生次声波的机制和特性，深入认识自燃规通过研究自燃现象产生次声波的机制和特性，深入认识自燃规通过研究自燃现象产生次声波的机制和特性，深入认识自燃规通过研究自燃现象产生次声波的机制和特性，深入认识自燃规律。

律 2 2 2 2）军事应用：）军事应用：）军事应用：）军事应用：①①①①军事侦察：次声波在介质中传播时，能军事侦察：次声波在介质中传播时，能军事侦察：次声波在介质中传播时，能军事侦察：次声波在介质中传播时，能量衰减缓慢，并且运动快，而且隐蔽性号，不易被对方发现，量衰减缓慢，并且运动快，而且隐蔽性号，不易被对方发现，量衰减缓慢，并且运动快，而且隐蔽性号，不易被对方发现，量衰减缓慢，并且运动快，而且隐蔽性号，不易被对方发现，因而可以用来侦察军事情报；因而可以用来侦察军事情报；因而可以用来侦察军事情报；因而可以用来侦察军事情报；②②②②次声波有杀伤性：利用和人体次声波有杀伤性：利用和人体次声波有杀伤性：利用和人体次声波有杀伤性：利用和人体器官固有频率相近的次声波与人体器官产生共振，导致人体器器官固有频率相近的次声波与人体器官产生共振，导致人体器器官固有频率相近的次声波与人体器官产生共振，导致人体器器官固有频率相近的次声波与人体器官产生共振，导致人体器官的变形和移位，甚至破裂，达到杀伤对方的目的官的变形和移位，甚至破裂，达到杀伤对方的目的官的变形和移位，甚至破裂，达到杀伤对方的目的官的变形和移位，甚至破裂，达到杀伤对方的目的。

2 2、次声波的应用、次声波的应用、次声波的应用、次声波的应用8/19/2024 当波源速度大于波的速度时当波源速度大于波的速度时, 波源比波前进得快波源比波前进得快,波的前面不可能形成波动，在各个时刻波源发出的波波的前面不可能形成波动，在各个时刻波源发出的波到达的波前的包络面呈现出一个以波源为顶点的圆锥到达的波前的包络面呈现出一个以波源为顶点的圆锥面面, 这种波叫这种波叫冲击波冲击波, 也叫也叫马赫波马赫波, 此锥面叫此锥面叫马赫锥马赫锥.M 为马赫数为马赫数如核爆炸、超音速飞行等如核爆炸、超音速飞行等8/19/2024* *§13.713.7 多普勒效应多普勒效应 波源或观察者或它们二者相对于介质运动时，波源或观察者或它们二者相对于介质运动时，观察者接收到的频率和波源的真实频率并不相等，观察者接收到的频率和波源的真实频率并不相等，这一现象称为这一现象称为多普勒效应多普勒效应.观察者观察者RS波源波源u观察者观察者相对于介质的运动相对于介质的运动速度速度，， 接近波源为正，反之为负接近波源为正，反之为负. .uR:波波的的传播传播速度速度，，接近观察者为正，反之为负接近观察者为正，反之为负. .u:波源波源相对于介质的运动相对于介质的运动速度速度，，接近观察者为正，反之为负接近观察者为正，反之为负. .uS:8/19/2024波源静止波源静止, 观察者静止观察者静止:观察者接收到的频率观察者接收到的频率 观察者在单位时间内接收到完整波形的数目观察者在单位时间内接收到完整波形的数目.观察者观察者RS波源波源u波源的频率波源的频率波源在单位时间内发出的完全波的数量波源在单位时间内发出的完全波的数量.波的频率波的频率单位时间内通过介质中某点的完全波的数量单位时间内通过介质中某点的完全波的数量. R: S: W:8/19/202413.7.1 波源静止，观察者以速度波源静止，观察者以速度uR相对于介质运动相对于介质运动1. 观察者接近波源观察者接近波源观察者单位时间内接收的完全观察者单位时间内接收的完全波的数量为：波的数量为：2. 观察者离开波源观察者离开波源 8/19/202413.7.2 观察者静止，波源以速度观察者静止，波源以速度 uS相对介质运动相对介质运动1. 波源接近观察者波源接近观察者在每个周期中，波源移近观察者在每个周期中，波源移近观察者yy,即每个波长缩短了即每个波长缩短了的距离为的距离为——频率变高频率变高8/19/20242. 波源离开观察者波源离开观察者 ——频率变低频率变低yy在每个周期中，波源离开观察者在每个周期中，波源离开观察者,即每个波长增加了即每个波长增加了的距离为的距离为8/19/2024 波源与观察者相互接近时，感觉到的频率较高，波源与观察者相互接近时，感觉到的频率较高，反之波源与观察者相互远离时，感觉到的频率较低反之波源与观察者相互远离时，感觉到的频率较低.6.7.3 波源以波源以uS运动，观测者以运动，观测者以uR运动（相向为正）运动（相向为正）由于波源的运动，介质中波的频率由于波源的运动，介质中波的频率:由于观察者的运动，观察者接收到的频率与波的频由于观察者的运动，观察者接收到的频率与波的频率之间的关系率之间的关系:观察者接收到的频率观察者接收到的频率:结论结论8/19/2024 当波源速度大于波的速度时当波源速度大于波的速度时, 波源比波前进得快波源比波前进得快,波的前面不可能形成波动，在各个时刻波源发出的波波的前面不可能形成波动，在各个时刻波源发出的波到达的波前的包络面呈现出一个以波源为顶点的圆锥到达的波前的包络面呈现出一个以波源为顶点的圆锥面面, 这种波叫这种波叫冲击波冲击波, 也叫也叫马赫波马赫波, 此锥面叫此锥面叫马赫锥马赫锥.M 为马赫数为马赫数如核爆炸、超音速飞行等如核爆炸、超音速飞行等8/19/2024。