Skip to main content
Global

5.3: 波长和波长

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    203391

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    学习目标

    • 描述波形的重要物理特征
    • 展示光波的物理特性如何与感知体验相关联
    • 展示声波的物理特性如何与感知体验相关联

    视觉和听觉刺激都以波浪的形式出现。 尽管这两种刺激在组成方面有很大的不同，但波浪形具有相似的特征，这些特征对我们的视觉和听觉感知尤其重要。 在本节中，我们将描述波浪的物理特性以及与之相关的感知体验。

    振幅和波长

    波浪的两个物理特征是振幅和波长。 波浪的振幅是从波浪的最高点（峰值或波峰）到波浪的最低点（波谷）测量的高度。 波长是指波从一个峰值到下一个峰值的长度。

    图表说明了波浪的基本部分。 从左向右移动，波长线从一条水平直线的上方开始，在该直线的上方和下方下降和上升均匀。 波长线到达最高点的区域之一被标记为 “峰值”。 标有 “波长” 的水平括号从该区域延伸到下一个峰值。 波长达到最低点的区域之一被标记为 “低谷”。 标有 “振幅” 的垂直括号从 “峰值” 延伸到 “低谷”。
    图\(\PageIndex{1}\)：波浪的振幅或高度是从峰值到低谷测量的。 波长是从峰值到峰值测量的。

    波长与给定波形的频率直接相关。 频率是指在给定时间段内通过给定点的波浪数，通常以赫兹 (Hz) 或每秒周期数表示。 较长的波长将具有较低的频率，而较短的波长将具有更高的频率。

    垂直堆叠有 5 个不同颜色和波长的波浪。 顶波为红色，波长较长，表示频率较低。 向下移动，每个波浪的颜色不同：橙色、黄色、绿色和蓝色。 同样向下移动，波长会随着频率的增加而变短。
    图\(\PageIndex{2}\)：此图显示了不同波长/频率的波浪。 在图的顶部，红波具有长波长/短频率。 从上到下移动，波长减小，频率增加。

    光波

    可见光谱是我们可以看到的较大电磁频谱的一部分。 如下图所示，电磁频谱涵盖了我们环境中发生的所有电磁辐射，包括伽玛射线、\(x\)-射线、紫外线、可见光、红外光、微波和无线电波。 人类的可见光谱与范围从\(380\)到\(740\)纳米的波长有关，这是一个非常小的距离，因为纳米（nm）等于十亿分之一米。 其他物种可以探测电磁频谱的其他部分。 例如，蜜蜂可以看见紫外线范围内的光（Wakakuwa、Stavenga 和 Arikawa，2007 年），除了更传统的视觉光线索，有些蛇还可以探测红外辐射（Chen、Deng、Brauth、Ding 和 Tang，2012 年；Hartline、Kass 和 Loop，1978 年）。

    此插图显示了整个电磁频谱中物体的波长、频率和大小。 在顶部，按从小到大的顺序给出了各种波长，并附有频率不断增加的波浪的平行示意图。 这些是提供的波长，以米为单位测量：“伽玛射线 10 到负十二次方”、“X 射线 10 到负十二次方”、“紫外线 10 到负八次方”、“可见 0.5 乘以负六次方”、“红外 10 到负五次方”、微波 10 到负十二次方second power” 和 “radio 10 cubed”。另一个部分标有 “大约大小”，从左到右列出：“原子核”、“原子”、“分子”、“原生动物”、“精确定位”、“蜜蜂”、“人类” 和 “建筑物”，并附有各自的插图。 底部是一条标有 “频率” 的线，其测量单位为赫兹：10 到 20、18、16、15、12、8 和 4 的幂次方。 从左到右，线条的颜色从紫色变为红色，可见光谱的其余颜色介于两者之间。
    图\(\PageIndex{3}\)：人类可见的光仅占电磁频谱的一小部分。

    在人类中，光波长与色彩感知有关。 在可见光谱中，我们对红色的体验与更长的波长有关，绿色是中间波长，蓝色和紫罗兰的波长较短。 （记住这一点的一个简单方法是助记词 ROYGBIV：r ed、o range、y ellow、g reen、b lue、i ndigo、v iolet。） 光波的振幅与我们对亮度或色彩强度的体验有关，较大的振幅看起来更亮。

    一条线提供 “400”、“500”、“600” 和 “700” 纳米的波长（以纳米为单位）。 这条线内有可见光谱的所有颜色。 在这条线下方，从左到右标注的是 “宇宙辐射”、“伽玛射线”、“X 射线”、“紫外线”，然后是上行的一个小标注区域，其中包含视觉光谱中的颜色，然后是 “红外”、“太赫兹辐射”、“雷达”、“电视和无线电广播” 和 “交流电路”。
    图\(\PageIndex{4}\)：不同波长的光与我们对不同颜色的感知有关。 （来源：约翰内斯·阿尔曼对作品的修改）

    声波

    像光波一样，声波的物理特性与我们对声音的感知的各个方面有关。 声波的频率与我们对该声音音高的感知有关。 高频声波被视为高音声音，而低频声波被视为低音声音。 声频的可听范围介于\(20\)和\(20000\) Hz 之间，对于处于该范围中间的频率，灵敏度最高。

    与可见光谱一样，其他物种的听觉范围也有所不同。 例如，鸡的听觉范围非常有限，从\(2000\) Hz\(125\) 到 Hz。 鼠标的听觉范围从\(91000\) Hz\(1000\) 到 Hz，白鲸的听觉范围从\(123000\) Hz\(1000\) 到 Hz。 我们的宠物狗和猫的听觉范围分别约为\(70-45000\) Hz 和\(45-64000\) Hz（Strain，2003）。

    给定声音的响度与声波的振幅密切相关。 更高的振幅与更响亮的声音有关。 响度以分贝 (dB) 来衡量，分贝是声强的对数单位。 典型的对话将与\(60\) dB 相关；摇滚音乐会可能会在 d\(120\) B 处办理登机手续。 在我们的听觉范围内，耳语\(5\)或沙沙作响的树叶处于我们听觉范围的低端；听起来像窗户空调、普通谈话，甚至交通繁忙或吸尘器都在可以容忍的范围内。 但是，听力伤害可能从大约\(80\) dB 到\(130\) dB 不等：这些声音来自食物处理器、电动割草机、重型卡车（\(25\)英尺远）、地铁列车（\(20\)英尺远）、现场摇滚音乐和手提凿岩机。 疼痛阈值约为\(130\) dB，喷气式飞机起飞或左轮手枪近距离射击（Dunkle，1982 年）。

    此插图中间有一条竖线，标有分贝 (dB)，从下到上编号为 0 到 140，间隔为 20。 在栏的左侧，不同声音的 “声音强度” 标记为：“听力阈值” 为 0；“耳语” 为 30，“轻音乐” 为 40，“听力损失风险” 为 110，“疼痛阈值” 为 130，“有害” 为 140。 酒吧右边是描绘 “普通声音” 的照片：20 分贝是沙沙作响的树叶的照片；60 分贝是两个人在说话，80 分贝是汽车，90 分贝是食物加工机，120 分贝是音乐会，130 分贝是喷气式飞机。
    图\(\PageIndex{5}\)：此图说明了常见声音的响度。 （来源 “飞机”：修改马克斯·普凡德尔的作品；来源 “人群”：克里斯蒂安·霍尔默对作品的修改；来源 “blender”：乔·布罗迪对作品的修改；来源 “汽车”：NRMA New Cars/Flickr 的作品修改；来源 “离开”：修改作品作者：Aurelijus Valeiisa）

    尽管波幅通常与响度有关，但在我们对可听范围内的响度的感知中，频率和振幅之间存在一些相互作用。 例如，无论波浪的振幅如何，\(10\)Hz 声波都听不见。 另一方面，随着波浪振幅的增加，\(1000\)赫兹声波在感知的响度方面会有很大差异。

    当然，不同的乐器可以在相同的响度下演奏相同的音符，但它们的声音仍然大不相同。 这被称为声音的音色。 音色是指声音的纯度，它受声波频率、振幅和时序的复杂相互作用的影响。

    摘要

    光和声音都可以用波形来描述，波形具有振幅、波长和音色等物理特征。 波长和频率呈反比关系，因此较长的波浪具有较低的频率，而较短的波浪具有较高的频率。 在视觉系统中，光波的波长通常与颜色有关，其振幅与亮度有关。 在听觉系统中，声音的频率与音高有关，其振幅与响度有关。

    词汇表

    丰富
    波浪的高度
    分贝 (dB)
    声强的对数单位
    电磁频谱
    我们环境中发生的所有电磁辐射
    频率
    在给定时间段内通过给定点的波浪数
    赫兹 (Hz)
    每秒周期；频率测量
    山峰
    （也是波峰）波浪的最高点
    沥青
    感知声音的频率
    音色
    声音的纯度
    槽
    波浪的最低点
    可见光谱
    我们可以看到的电磁频谱的一部分
    波长
    波浪从一个峰值到下一个峰值的长度

    Contributors and Attributions