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1.3 声音的特性与应用
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01 本节导航·目标清单
目标导航
1. 了解声音的特性（音调、响度、音色）及影响因素，知道音调与频率的关系，了解超声波和次声波的利用，建立科学观念。
2. 能正确区分乐音和噪声，知道噪声的危害及控制减弱噪声的方法和途径，提升科学思维。
3. 通过实验探究进一步了解声音的相关知识和学习如何减弱噪声。
4. 了解声学知识在生活和科技中的应用，关注噪声对环境和健康的影响。
方法指导
知识推进链：音调（频率）→ 响度（振幅、距离）→ 音色（材料、结构）→ 声音的三要素 → 声的利用（超声波、次声波）→ 噪声及其控制。
研究方法：转换法——用乒乓球被弹开的幅度反映音叉振动的幅度；类比法——将声波与水波类比。
02 教材精研·内容全解
考点01 音调
1. 音调的概念
人们能够听到的各种声音，有的听起来尖锐，即调子高；有的听起来低沉，即调子低。声音的高低可用音调（pitch）来表示。
2. 探究影响音调高低的因素
将一把钢尺紧压在桌面上，用手拨动其伸出桌外的一端。改变钢尺伸出桌面的长度，重复上述步骤。观察发现：钢尺伸出桌面的部分较短时，钢尺振动快，发出声音的音调高；钢尺伸出桌面的部分较长时，钢尺振动慢，发出声音的音调低。
结论：声音音调的高低与发声物体振动的快慢有关。物体振动得越快，发出声音的音调就越高；物体振动得越慢，发出声音的音调就越低。
钢尺的振动
3. 频率
物体振动的次数与所用时间之比叫作频率（frequency）。频率的单位是赫兹（hertz），简称赫，符号是Hz。科学上用频率表示物体振动的快慢。例如，如果物体在1 s内振动50次，它的频率就是50 Hz。频率的计算式为，其中f表示频率，n表示振动次数，t表示时间。
物体的振动频率决定了声音音调的高低，频率高则音调高，频率低则音调低。
音叉 通过计算机观察声波
4. 音叉实验与声波的波形
取一套音叉，音叉上的数据表示该音叉所产生的声音的频率。敲击不同的音叉会产生不同频率的声音。把音叉发出的声音信号输入计算机，观察声音的波形：声音的频率越高，波形就越密集；声音的频率越低，波形就越稀疏。
唱歌或演奏乐器时，需要经常改变音调。当演唱不同的音符时，人需要通过喉部的肌肉来改变声带振动的频率，从而产生高低不同的音调。一般来说，儿童说话的音调比成年人高，成年女性的音调比成年男性高。人的发声频率大约在85 Hz到1100 Hz之间。人唱歌时，C调“1”（do）的频率是262 Hz，D调“1”（do）的频率是294 Hz。
5. 人耳的听觉范围与超声波、次声波
人对高音和低音的听觉有一定的限度。多数人能够听到的声音频率范围为20～20000 Hz。人们把高于20000 Hz的声波叫作超声波，把低于20 Hz的声波叫作次声波。一般人是听不到超声波和次声波的。
动物的听觉范围通常与人很不相同。大多数哺乳动物能听到的声音的频率比人类高得多。表1.3-1列出了人和一些动物能够听到和发出的声音频率范围。
表1.3-1 人和一些动物的听觉和发声的频率范围
动物 听觉频率/Hz 发声频率/Hz
人 20 ～ 20000 85 ～ 1100
蝙蝠 1000 ～ 120000 10000 ～ 150000
狗 15 ～ 50000 450 ～ 1800
大象 1 ～ 20000 14 ～ 24
猫 60 ～ 65000 760 ～ 1500
海豚 150 ～ 150000 7000 ～ 120000
6. 思考与讨论：蜜蜂与蝴蝶
一只蜜蜂飞过耳边时，我们能听到它飞翔时所发出的声音。可是，一只蝴蝶飞过耳边时，我们却听不见。这是因为蜜蜂翅膀振动的频率在人耳的听觉范围内，而蝴蝶翅膀振动的频率低于20 Hz，属于次声波，人耳听不到。
蜜蜂与蝴蝶飞翔时所发出的声音
考点02 响度
1. 响度的定义
声音的强弱可用响度（loudness）来衡量（也指声音的大小）。越用力击鼓，听到的鼓声越响亮，响度就越大。响度是人们对声音强弱的主观感觉。
2. 探究影响响度大小的因素
实验一：将乒乓球用细线悬吊起来，用正在发声的音叉轻触乒乓球。用力小，乒乓球被弹开的幅度小，声音弱；用力大，乒乓球被弹开的幅度大，声音强。
实验二：在距离音叉较近处与较远处听音叉发出的声音。人距离音叉越远，听到的声音越弱。
结论：对于同一声源发出的声音，其响度与声源的振动幅度有关，也与人距离声源的远近有关。声源的振动幅度越大，声音的响度越大；距离声源越远，声波散播开来，声音就越分散，听到的声音的响度也就越小。
乒乓球被音叉弹起
3. 响度与距离的关系
距离声源越远，声波散播开来，声音就越分散，听到的声音越小。如图1.3-6所示，在2 m处，单位面积上声音强弱只有1 m处的四分之一；在3 m处，单位面积上声音强弱只有1 m处的九分之一。
离声源不同距离的声音强弱
4. 声音的强弱与分贝
人们通常用分贝作为单位来计量声音的强弱。分贝的符号为dB。0 dB是人刚能听到的最微弱的声音，30～40 dB是较为安静的环境，70 dB的声音会干扰人们谈话、影响工作效率，长时间处于大于100 dB的环境中对耳的听力会造成损伤，大于120 dB的声音则会导致耳疼痛，甚至会造成永久性听觉障碍而听不到任何声音。
为了保护人们的听力，声音不能超过90 dB；为了不影响工作和学习，声音不能超过70 dB；为了保证休息和睡眠，声音不能超过50 dB。在嘈杂的环境中工作的人们，应戴上听力防护设备。
几种声源的分贝数 工作人员戴着听力防护设备
考点03 音色
1. 音色的概念
在许多同学同时讲话时，即使没有看到人，我们也可以分辨出某一同学的声音。不同的乐器同时演奏时，即使它们发出的响度与音调相同，仅凭听觉我们也可以把它们区分开来。这表明声音还有一个十分重要的特性，那就是音色（tone quality）。音色反映了声音的品质与特色。
不同发声体的材料、结构不同，发出声音的音色就不同，人对这些声音的感觉也就不一样。借助示波器，可以观察到音色不同的声音的波形。
不同乐器发出的音调相同的声音波形图
考点04 声音的三要素
1. 声音的三要素
人们常常将音调、响度和音色叫作声音的三要素。
2. 乐器的音调
各种乐器看上去千差万别，演奏方式也各不相同，但它们的工作原理都是一样的：通过振动发出声音。乐器可以分为三种主要的类型：弦乐器、管乐器和打击乐器。
弦乐器：像吉他、二胡、小提琴等弦乐器都是通过弦的振动而发声的。短而细的弦振动的频率高，发出声音的音调就高；长而粗的弦振动的频率低，发出声音的音调就低。演奏者演奏时，通过手指在弦上不同位置的按压来改变弦振动的频率，从而改变音调高低。弦的振动幅度越大，发出的声音越响亮。
管乐器：有铜管乐器和木管乐器之分。如小号和长号等铜管乐器，演奏者对着乐器的吹口吹气，使乐器内的空气柱振动，通过按压活瓣或移动拉管来调整空气柱的长度，从而改变乐器发出声音的音调。长笛等木管乐器，演奏时管中的空气柱会发生振动而发声，演奏者通过堵住和放开特定的音孔改变空气柱的长度，从而使长笛产生不同的音调。空气柱越长，音调就越低。
打击乐器：如鼓、锣等打击乐器受到打击时发生振动而产生声音。鼓皮张得越紧，鼓面会振动得越快，音调就越高。击鼓的力量越大，鼓皮振动的幅度就越大，声音就越响亮。
3. 声音三要素的区别
音调、响度、音色可以从定义、影响因素和听觉表现三个方面加以区别（见表1.3-2）。
表1.3-2 声音三要素的区别
音调 响度 音色
定义 声音的高低 声音的强弱 声音的品质和特色
影响因素 发声体振动的频率 发声体的振幅及距离发声体的远近 发声体的材料、结构
听觉表现 音调高：声音清脆、尖细，如女生的尖叫声。音调低：声音低沉，如牛的叫声 响度大：震耳欲聋。响度小：轻声细语 不同声源发出的声音，即使音调、响度相同，听起来也有差异
考点05 声的利用
1. 声音的反射与回声
声音在传播过程中遇到障碍物，就会被反射。当障碍物离人较远时，人发出的声音经过较长时间（大于0.1 s）回到耳边，人们就能把回声和原声区分开来。当障碍物离人较近时，声音被很快反射回耳边，此时，人们区分不出回声和原声。音乐厅中常采用消除回声的设计，使听众获得更好的听觉感受。
音乐厅采用消除回声的设计
2. 回声定位与超声波的利用
蝙蝠通常在夜间出来活动，它的视觉较差，但从来不会撞到树枝等障碍物，并且能够以很高的精度捕捉猎物。原来，蝙蝠在飞翔时会发出超声波，这些超声波碰到猎物时会被反射回来，根据回声传来的方位和时间，蝙蝠可以确定猎物的方位及距离。蝙蝠采用的定位方法叫作回声定位。
利用回声定位原理，科学家发明了声呐。利用声呐系统，人们可以测量海洋的深度，绘制海底地形图。渔船还可以利用声呐系统获得鱼群的信息。汽车上安装的倒车雷达，也是利用了回声定位原理。
利用超声波扫描可以得到人体内部各器官的图像，以获得人体内部是否有病变的准确信息，确诊病情，然后采取相应的治疗措施。超声波仪器也可用来检查孕妇腹中胎儿的发育情况。
日常生活中也越来越多地使用超声波，如超声波清洗器、超声波洗牙等。
蝙蝠利用超声波捕食 用超声波检查胎儿 超声波清洗器
3. 次声波的利用
不同的动物感受声波的频率范围不同。大象利用人类听不到的“声音”进行交流，这种“声音”是一种次声波，也就是说，大象可以利用次声波传递信息，进行交流。
自然界中的许多现象，如地震、火山喷发、海啸、台风等，都伴有次声波的产生。次声波可传播很远的距离，发生地震、台风、核爆炸等情况时，即使在几千千米以外，使用灵敏的声学仪器也能接收到它们产生的次声波。通过处理这些信息，可以确定声源的方位和强度等。
大象用次声波交流
【知识扩展】 4. 动物利用大地振动波互相联络
有些动物通过探测土壤、植物茎叶的振动产生的波来识别环境、定位猎物、防备捕食者。对大地振动波敏感的动物有蛇、青蛙、蟾蜍、鸟、大象、蠕虫，以及大多数昆虫。很多动物能用大地振动波与其他动物联络，包括敲打、抖动和刮擦等方式产生振动。动物产生的大地振动波通常专属于相应物种，能用来确认和追求潜在配偶、警告同伴附近存在捕食者、声明领地，或者协调社会成员的活动等。
考点06 噪声及其控制
1. 乐音与噪声
清脆的鸟鸣声、悠扬的乐声、悦耳的歌声等往往使人感觉轻松愉快，我们把这类声音叫作乐音（musical sound）；马路上的嘈杂声、飞机的轰鸣声等往往使人烦躁不安，我们把这类声音叫作噪声（noise）。
从环境保护的角度来看，凡影响人们正常工作、生活和休息的声音都是噪声。例如，学习时，周围传来的优美的音乐对你来说也许是噪声。
噪声
2. 噪声的危害
噪声妨碍人们的生活、工作与学习，有害健康，被列为国际公害。世界上许多国家都通过立法颁布了噪声污染标准。我国政府规定，学校、居民住宅区的环境噪声，白天不能超过55 dB，夜间不能超过45 dB。
3. 控制噪声的途径
控制噪声一般从三个方面考虑：控制噪声产生、阻断噪声传播、防止噪声入耳。人们把噪声称作“隐形杀手”。现代城市把控制噪声列入环境保护的重要内容。家用电器设计要求尽可能降低噪声，以降低对环境的影响。
交通繁忙地区禁按喇叭 高架路上安装隔声屏
4. 我国古代在声学方面取得的成就
我国古代在声学方面有着辉煌的成就。1973年，浙江余姚河姆渡遗址出土一批文物，其中有大量完整的骨哨和骨笛，至今仍能吹奏出和谐的旋律。这表明中国古人在史前时期对声学就有了认识。到3000多年前的商代，人们已能系统地掌握乐器的制造方法和相应的乐律等，能制造弦乐器和管乐器，以及钟磬等。
1978年，在湖北随州出土的曾侯乙编钟是战国时期编钟，也是我国迄今发现的保存最好、音律最全、音域最广的编钟，至今还能演奏乐曲。
我国古代工匠在建筑声学技术方面也有丰富的经验。例如，北京天坛，人站在圜丘中央台上说话，会感到声音特别洪亮，觉得有声音从地下传来；回音壁巧妙地利用声音的反射和聚焦现象，使声音能沿着环形壁面传播得很远，并且在回音壁中心的三音石附近能清晰地分辨出三次回声。
人站在天坛的圜丘中央台上说话会感到声音特别洪亮 圜丘反射声音的示意图
03 避坑指南·易错辨析
易错警示 1. 易错点1：日常用语中“高”“低”的含义。例如“高音我唱不上去”“低音我唱不下来”里的“高”“低”指的是音调，而“引吭高歌”“低声细语”里的“高”“低”指的是响度。 2. 易错点2：音调与响度没有必然联系。音调高的声音响度不一定大，响度大的声音音调不一定高。 3. 易错点3：超声波和次声波都是由物体振动产生的，都需要介质传播，在相同介质中的传播速度相同。超声波频率高于20000 Hz，次声波频率低于20 Hz，人耳都听不到。 4. 易错点4：减弱噪声有三个途径：在声源处减弱（如禁止鸣笛、安装消声器）、在传播过程中减弱（如安装隔声屏、植树种草）、在人耳处减弱（如戴耳塞、耳罩）。
04 实战演练·随堂检测
【实战演练】
1. 如图甲，大一点的编钟发出声音的音调一般都比较____（选填“高”或“低”），这是因为大一点的编钟振动得比较____（选填“快”或“慢”）。如图乙，手指润湿后摩擦杯口，杯子振动发声，再加入一定的水，所发出声音的音调会______（选填“升高”或“降低”）。
答：________________________________
答：________________________________
答：________________________________
2. 在旅游景区，导游常利用扩音器进行讲解，如图所示，关于扩音器的作用，以下说法正确的是（ ）
A. 提高声音的音调
B. 增大声音的响度
C. 改变声音的音色
D. 改变声音的传播速度
3. 下列关于超声波的说法正确的是（ ）
A. 超声波的频率低于20 Hz
B. 超声波在空气中传播速度比可听声快
C. 医院的B超是利用超声波来诊断病情的，因为超声波具有较强的穿透能力
D. 超声波听起来比较高亢
4. 下列措施不是在声源处减弱噪声的是（ ）
A. 放鞭炮时用手捂住耳朵
B. 阅览室禁止大声喧哗
C. 晚八点到早七点，工地禁止施工
D. 学校将高音喇叭换成许多小音箱
05 巩固拓展·课后提升
【巩固拓展】
1. 会场里的扩音设备是增大声音三要素中的哪个要素？
答：________________________________
2. 如果小号和单簧管发出的声音音调和响度都相同，那么你能通过声音的什么特性来区分它们？
答：________________________________
3. 调查校园或你家周围的噪声情况，分析受噪声影响的程度，并提出应该采取什么样的控制措施。写一份调查报告，并和同学进行交流。
答：________________________________
4. 制作一件乐器（如在8只相同的空瓶子里倒入不同量的水），带到班里进行演奏，看谁制作的乐器好，谁演奏得好，并选出两件作品，完成记录表。
答：________________________________
参考答案
【实战演练】
第1题： 低；慢；降低
解析：大一点的编钟质量大，不容易振动，振动得较慢，频率较低，所以发出声音的音调一般都比较低；手指润湿后摩擦杯口，杯子振动发声，再加入一定的水，杯子和水的质量变大，振动变慢，频率降低，所发出声音的音调会降低。
第2题： B
解析：扩音器把音量放大了，即声音经过扩音器后响度变大，故B正确。
第3题： C
解析：A错，超声波是频率高于20000 Hz的声波；B错，超声波和可听声在相同介质中的传播速度相同；C正确，医院的B超利用超声波较强的穿透能力来诊断病情；D错，超声波频率高于人耳听觉范围，人耳听不到，不能用高亢形容。
第4题： A
解析：放鞭炮时用手捂住耳朵，是在人耳处减弱噪声的；阅览室禁止大声喧哗、工地禁止施工、将高音喇叭换成许多小音箱都是在声源处减弱噪声的。
【巩固拓展】
第1题： 响度
解析：扩音设备的作用是把声音放大，使更多人听到，它改变的是声音的响度。
第2题： 音色
解析：不同乐器的材料和结构不同，发出声音的音色不同，因此可以通过音色来区分。
第3题： （参考思路）先确定调查地点和主要噪声来源，再依据分贝大小或主观感受分析受影响程度，最后从控制噪声产生、阻断传播和防止噪声入耳三个方面提出具体措施。
第4题： （参考思路）通过改变瓶中水量来改变空气柱长度，从而改变音调；通过吹气力度改变响度；在记录表中写明乐器名称、制作材料、发音部件、响度调节方法和音调调节方法。

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