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Web Audio API · Physics

🔊 音波模拟器

同时体验粒子振动动画和实际声音。实时操纵频率、波形和拍频,直观学习音响CAE基础知识。

参数设置
此浏览器不支持Web Audio API。仅可使用视觉模拟。
预设
双音模式(拍频)
计算结果
440
频率 (Hz)
0.779
波长 λ (m)
2.27
周期 T (ms)
--
声压级 (dB)
粒子振动动画(压力波的横向可视化)
粒子
示波器(波形视图)
示波器
理论与主要公式

理论说明

波的基本公式:音速 $v = 343\,\text{m/s}$(20°C空气中),波长 $\lambda$、频率 $f$ 的关系:

$$v = f \lambda \quad \Longrightarrow \quad \lambda = \frac{343}{f}$$

拍频(拍动):频率 $f_1$ 和 $f_2$ 略有不同时,合成波的振幅以 $f_\text{beat}= |f_1 - f_2|$ 的周期变化。这个现象用于乐器调音。

$$y(t) = A\cos(2\pi f_1 t) + A\cos(2\pi f_2 t) = 2A\cos\!\left(2\pi\frac{f_1-f_2}{2}t\right)\cos\!\left(2\pi\frac{f_1+f_2}{2}t\right)$$

声压级(dB):$L = 20\log_{10}(A/A_0)$。$A_0 = 2\times10^{-5}\,\text{Pa}$(听觉阈值)。

与CAE的联系:声学有限元法(声学FEM)或边界元法(BEM)通过空间离散化求解波动方程 $\nabla^2 p - \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 p}{\partial t^2}= 0$。广泛应用于汽车NVH分析、建筑声学、噪声预报。

音波模拟器概述

🙋
改变这个模拟器中的"波形"后,音色就会改变,为什么呢?正弦波和方波有什么区别?
🎓
简单来说,波形的形状决定了声音的"品质"。正弦波仅包含基本频率,就像一杯"纯水"——纯音。相比之下,方波和三角波包含基本频率的整数倍的声音(倍音)。例如,在上面的滑块中将频率固定在440Hz,然后只改变波形从正弦波到方波。听起来高度相同,但音色明显不同,这就是倍音的效果。
🙋
我明白了!那"拍频"是什么?有"第2频率"的滑块,使用它会发生什么?
🎓
拍频是当频率略有不同的两个声音重叠时,音量会周期性地"一声、一声"变化的现象。在实际工作中,经常用于乐器调音。让我们在模拟器中试一下。首先,将频率设置为440Hz,第2频率设置为443Hz,然后播放。听得到吗?音量定期地增大和减小——这就是"拍频"。这个拍频的次数正好是两个频率的差,即3Hz。
🙋
动画中粒子在振动,这是"声波"的真实面貌吗?当我增加振幅时,为什么声音会变大?
🎓
完全正确!屏幕上粒子的运动模拟了空气分子被声音推动或拉动的过程。振幅是那个分子振动的"宽度"。当您增加振幅滑块时,分子的运动范围增大,更强的压力变化到达耳朵。换句话说,声音变大。反过来说,当振幅接近零时,分子几乎不动,声音消失。在实际的CAE声学分析中,我们计算这个压力变化的大小来评估噪声级别。

物理模型和主要公式

声音的本质是空气密度的变化(疏密波)。最简单的正弦波位移由以下公式表示。

$$y(t) = A \sin(2 \pi f t)$$

$y(t)$:空气粒子位移 [m],$A$:振幅(与音量相关)[m],$f$:频率 [Hz],$t$:时间 [s]

当两个频率略有不同的声音($f_1$、$f_2$)重叠时,会产生"拍频"。合成波可表示为以下形式,其中振幅部分随时间缓慢变化。

$$y(t) = A\cos(2\pi f_1 t) + A\cos(2\pi f_2 t) = 2A\cos\!\left(2\pi\frac{f_1-f_2}{2}t\right)\cos\!\left(2\pi\frac{f_1+f_2}{2}t\right)$$

右侧的 $\cos(2\pi\frac{f_1+f_2}{2}t)$ 表示平均音高,而 $2A\cos(2\pi\frac{f_1-f_2}{2}t)$ 表示该音高的音量随时间的变化。这个振幅变化的频率 $f_{beat} = |f_1 - f_2|$ 就是听到的"拍频"。

常见问题

您的设备扬声器可能不支持某些频率范围(例如低于20Hz或高于20kHz)。另外,浏览器的自动播放策略可能导致音频被静音。请检查页面上的静音按钮和音量滑块,并尝试20Hz至20kHz范围内的设置。
选择"拍频模式",或将两个频率滑块设置为相近的值(例如440Hz和444Hz)。频率差越小,拍频越慢,您可以在动画中看到振幅的周期变化。如果差异太大,则会被识别为两个单独的音符或不和谐的音。
由于实时处理,浏览器和设备性能可能会导致轻微的延迟。特别是在低频率下,粒子移动较慢,看起来是同步的,但在高频率下,您可能会感觉到视觉和听觉的偏差。请检查您的环境是否满足推荐规格。
本工具是教育工具,用于直观理解音响CAE的基本概念(波形合成、拍频、频率与振幅关系)。实际设计需要更精确的物理模型和支持3D音场分析的专业CAE软件。但是,它对于掌握参数变化如何影响声音的感觉很有用。

现实世界的应用

乐器调音:调整吉他或钢琴时,通过聆听基准音与乐器音之间的拍频来微调频率。当拍频消失时,说明两个音的频率完全相同。

汽车NVH(噪声、振动、粗糙度)分析:利用CAE软件分析发动机音和风噪声等的频率成分,识别和降低令人不快的拍频和噪声的原因。

建筑声学设计:在音乐厅和录音室的设计中,模拟声波的反射和干涉,调整混响时间,防止"浑浊"。理解不同频率在空间中的行为至关重要。

医疗诊断(超声检查):超声波是人类听不到的高频声波。它在体内反射回来,医生通过分析返回的超声波频率和振幅的变化来创建器官形状和血流状态的图像。

常见误解和注意事项

首先,记住这个模拟器处理的是"自由空间中的简单声波"。实际的CAE声学分析远比这复杂。例如,您是否认为"将振幅增加一倍,音量(声压级)也会增加一倍"?实际上,并非如此。声压级以分贝(dB)对数尺度表示。当振幅增加一倍时,声压级仅增加约6dB(准确地说 $20 \log_{10}(2) \approx 6.02 \text{dB}$)。所以它不会"增加两倍的响度"。需要注意这一点。

其次,关于波形的选择。理论上,方波和锯齿波包含无限倍音,但这个模拟器和实际扬声器的再现频率有限。例如,要生成基本频率为1kHz的方波,需要15kHz或20kHz等高倍音。但如果超出扬声器性能和人类可听范围(约20Hz-20kHz),那些倍音就无法再现或听到。因此,模拟器中的"干净方波"与实际设备输出的声音略有不同。这称为"带宽限制",是实际工作中需要始终记住的重要概念。

最后,拍频实验中容易犯的错误是频率差太大。例如,440Hz和500Hz(差60Hz)叠加时,更像是两个单独的音或不和谐,而不是拍频。清晰的拍频体验通常是频率差在大约15Hz以下时。乐器调音中使用的拍频通常是频率差仅1-3Hz。这一点需要牢记。

使用指南

  1. 用freqSlider将基本频率设置在20Hz~20000Hz范围内,实时确认波形
  2. 用ampSlider调整振幅到0~100Pa的声压,改变粒子振动动画的激烈程度
  3. 将twoToneToggle打开并用freqSlider2设置第2频率,可观察拍频现象
  4. 监控计算的波长λ、周期T、声压级(dB)以把握声学特性

具体计算示例

在空气中(音速340m/s)设置1000Hz频率时,波长λ=0.34m,周期T=1ms会自动计算。在80Pa振幅下,声压级约为134dB(相当于工业机械级别)。进一步输入1000Hz和1050Hz两个频率时,50Hz的拍频调制包络可被看到,对于音频生产和噪声控制等实际工作中重要的干涉现象,可直观学习。

实际工作中的注意事项