原创 声音的产生

声学理论首先总是要介绍声音的产生和传播。以我们的经验，深刻理解声音的产生和传播，才能更好的理解声音产生的两类声源：结构振动发声(Structure-borne noise)和气动声(Air-borne noise)；特别是对于气流噪声（如风扇噪声和飞机噪声）的分析是非常重要的。

我们用图1来解释了声波的产生机理。将连续的弹性媒质划分为A、B、C、D等介质元，每个介质元中包含了大量有质量的介质分子。宏观上，每个介质元可以看做是一个质点，质点之间存在弹性作用，即各质点看做是弹簧连接。

图1 声音的传播

设想由于某种原因（例如一个物体的振动）在弹性媒质的某局部地区激发起一种扰动，使这局部地区的媒质质点A离开平衡位置开始运动。这个质点A的运动必然推动相邻媒质质点B，亦即压缩了这部分相邻媒质。由于媒质的弹性作用，这部分相邻媒质被压缩时会产生一个反抗压缩的力，这个力作用于质点A并使它恢复到原来的平衡位置。另一方面，因为质点A具有质量，所以质点A在经过平衡位置时会出现“过冲”，以至又压缩了另一侧面的相邻媒质，该相邻媒质中也会产生一个反抗压缩的力，使质点A又回过来趋向平衡位置。因此由于媒质的弹性和惯性作用，这个最初得到扰动的质点A就在平衡位置附近来回振动起来。由于同样的原因，被A推动了的质点B以至更远的质点C，D，……等也都在平衡位置附近振动起来，只是依次滞后一些时间而已。这种媒质质点的机械振动由近及远的传播就称为声振动的传播或称为声波。

因此声音是一种机械振动状态的传播现象，即振动由近及远传播开去，但质点从宏观上看，并没有传播。声波表现为一种机械波即声波。声音的传播总是与某种介质相联系的，因此声音不能在真空中传播。所以产生声波的条件是：有作机械振动的物体—声源和有能传播机械振动的介质。传播声波的介质可以是气体、液体或固体。我们在第五讲讨论了声波在固体媒质中传播的基本特性。这里主要讨论声波在气体、液体等理想流体媒质的传播特性。由于理想流体媒质的弹性主要表现在体积改变时出现的恢复力，不会出现切向恢复力，因此理想流体媒质中声振动传播的方向与质点振动方向是一致的，即声波在理想流体媒质中仅存在纵波。

下图我们用Dan Russell教授制作的动画进一步揭示声音的传播过程，在动画中可以清楚看到，在声波传播时，各个粒子仅是在平衡位置来回振动，并将这些振动传递到邻近的媒质。

图2 （纵）声波的传播

同时，在图2可以看到，粒子在波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致；这种声波称为纵波。另一种称为横波，这种波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向垂直，如图3所示。

图3 横波的传播

由于理想流体中只能产生体积形变，不能产生切形变，因此在空气中只有纵波；而在固体结构中，就存在纵波和横波。

好了，文章末尾我们再介绍下声音产生的两类主要声源：结构振动发声(Structure-borne noise)和气流噪声(Air-borne noise)。对于结构振动发声而言，似乎是很好理解的，比我我们敲击一个结构，就会使结构产生振动，那么在结构的表面由于振动的产生就会使临近的空气分子产生一个扰动，这种扰动传播出去，就形成了声波。

而对于气流噪声而言，其产生激励由于气流的不稳定而产生的，它不是靠固体的振动，主要是靠流体动力学因素所致。所以这时流场是用压强描述，而声场变量也是压强，因此在实际分析时，如何加以区分呢？同时为什么较大的风所发出的声音还没有吹口哨时声音大呢？欢迎大家进行讨论交流。