5.3: 波长和波长

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Nov 1, 2022
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- 5.2：感觉与感知
- 5.4: 愿景

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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

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