声音
聲音是振動產生的声波，通過介質（氣體、固體、液體）傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的波動現象。
聲音的頻率一般會以赫兹表示，記為Hz，指每秒鐘周期性震動的次數。而分貝是用来表示聲音强度的单位，記為dB。
聲音是一種波動，当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时，声音的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就产生了声波，这种现象会一直延续到振动消失为止。 声音总可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。這種變換（或分解）的過程，稱為傅立葉變換。因此，一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹（Hz）之间。高于这个范围的波动称为超声波，而低于这一范围的称为次声波。
文言文中，「聲」特指人聲，而「音」特指其他聲音；而在現代漢語中，「聲」與「音」意思已混同為「聲音」，並簡稱為「聲」或「音」，而文言文中「聲」在現代漢語中被稱為「人聲」。日語中則仍保留文言文中的區別。
聲學 编辑
聲學是一個跨領域的科學，研究的聲音是振動產生的聲波，通過介質（空氣或固体、液体）傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的波動現象。
聲音的頻率一般會以赫兹表示，記為Hz，指每秒鍾周期、液體及固體的機械波，包括振動、聲音、超音波和次音波等。聲學中和工程有關的部份稱為聲學工程[1]，和負責錄音、聲音處理、混音及聲音複制的音響工程不同。
聲學的應用幾乎和在現代社會的每個層面都有關，其子領域包括航空聲學、聲音信號處理、建筑声学、生物聲學、电子声学、環境聲学、音樂聲學、噪音控制、心理声学、說話、超音波、水下聲學及振動[2]。
物理學 编辑
當物體振動時，同時伴隨聲音的產生。當振動體不再振動時，聲音也隨之停止。所以從生活的觀察中可以歸納出：聲音是由物體的振動所引起。
传播 编辑
因為聲音是一種機械波，擁有波動傳播的性質，例如頻率，波長，反射，折射，干涉，繞射，散射等
- 声音的传播也与温度有关，声音在热空气中的传播速度比在冷空气中的传播速度快。
- 声音在传播还与相對運動有关，音速是相對於靜止介質而言的，因此若介質和觀察者有相對運動，則聲音抵達的時間則要考慮相對運動。
- 音頻在不同之相對運動狀態時也會改變，詳見多普勒效應，
- 声音在經過不同音速的兩個介质面時會產生反射和折射，例如人面对群山呼喊，就可以听得到自己的回声。
- 干涉的例子是例如放煙火時若週遭有具有週期性的建築結構存在，則聽者會在煙火爆炸聲後聽到一個有特殊頻率的回聲，此和光譜和光柵分光原理相同。
- 繞射的例子是當房門開啟一個小縫時，房內所有的角落都聽得見由門縫傳播進來的聲音。
音波的性質及特性 编辑
音波常簡化為正弦平面波的合成，各平面波可以用以下的性質來描述：
- 頻率：頻率越大，音調越高；頻率越小，音調越低。（介質相同時，f和λ成反比）
- 波長：波長越短，音調越高；波長越長，音調越低。（介質相同時，f和λ成反比）
- 波數
- 振幅：振幅越大，音量（響度）越大；振幅越小，音量越小。
- 聲壓
- 音強
- 音速
- 方向
- 音色：即波形
人耳可以感知到的聲音，其頻率範圍為20 Hz至20,000 Hz，在标准状况下的空氣中，上述音波對應的波長從17 m至17 mm之間。有時音速及其方向會用速度向量來表示，波數和其方向則會用波矢表示。
當發音體越短、越細、越緊、越薄時，音調越高、頻率越大、波長越短；發音體越長、越粗、越鬆、越厚時，音調越低、頻率越小、波長越長。
横波也稱為剪應力波，除了上述性質外，還有偏振性，這個不列在音波的性質中。
音速 编辑
音速又稱声速。一般來說，音速 通常和介质的不可壓縮率与密度有关，利用连续介质力学及经典力学，可导出下面的公式[5]：
其中 是不可壓縮率， 是密度。因此音速隨著介質的不可壓縮率增加而變快，隨著介質的密度增加而變慢。
對於一般的狀態方程式，在經典力學適用範圍內，音速 可表示成[5]
此處偏微分針對絕熱變化。
对于远离液态工作点的理想气体，则有
式中：
关于音速，若溫度在20攝氏度左右，还有一个非常实用的经验公式：c=331+0.6T（其中T为摄氏温度）。[6][7]
音速跟介质的彈性模量和密度有关，彈性模量是單位體積物质的抗力和形變量之比值，彈性模量越大，物質間不同形變程度處的相互作用力就越大而使加速度變大，声音就传播的越快。但若彈性模量相同之材料，密度越大則會使不同形變程度處之間的加速度降低，導致聲音傳播的速度降低，因此聲音傳播的速度和兩者皆相關。數學形式詳見音速頁面。攝氏0度的空气中，声音的传播速度是331米/秒；在水中的传播速度是1473米/秒；在铁中的传播速度是5188米/秒。
接收 编辑
「声音」一詞在生理學及心理學上的定義是指大腦所接收到的聲音，和物理學的定義略有差異，心理聲學中有許多心理學和聲學有關的研究。不過有時声音只是指頻率在人類或其他動物聽覺範圍內的振動[8]。
任何器官所接收的聲音頻率都有其範圍限制。人類的耳朵一般只能聽到約在20Hz至20,000 Hz（20kHz）範圍內的聲音[9]，其上限會隨年齡增加而降低[10]。其他物種動物的聽覺頻率範圍也有所不同，像狗可以聽到超過40kHz的聲音，但無法聽到40 Hz以下的聲音。不同物種動物的聽覺頻率範圍如下：
- 蝙蝠：1000～120000Hz
- 海豚：150～100000Hz
- 貓：60～65000Hz
- 狗：40～50000Hz[11]
- 人：20～20000Hz
動物重要感官中的聽覺即是接收声音。對動物而言，声音有偵測危險、導航、捕食及溝通等作用。地球的大氣、水及許多自然界現象（像火、雨、風、海浪、地震）都產生其獨特的声音。像蛙、鳥及哺乳動物也都發展出產生聲音的器官。人類的語言也是藉由聲音來傳遞，是文化重要的一環，人類也發展出產生、錄製、傳送及播放聲音的技術。
因為人類耳朵聽覺範圍的頻率上限會隨年齡而下降，也就表示年輕人可以聽到的高頻率聲音，年齡較大的人不一定聽得到。因此有些設備故意發出只有年輕人可以聽到的高頻率，可以制止年輕人集會，而不會影響其他年齡的人，稱為蚊音器[12]。
声压 编辑
| 声音的衡量 | |
|---|---|
特征 | 符号 |
| 声压 | p, SPL,LPA |
| 粒子速度 | v, SVL |
| 粒子位移 | δ |
| 声强 | I, SIL |
| 声功率 | P, SWL, LWA |
| 声能 | W |
| 声能密度 | w |
| 暴露声级 | E, SEL |
| 声阻抗 | Z |
| 声频 | AF |
| 传输损耗 | TL |
特定介質下的声压是指是指声波通过某种媒质时，由振动所产生的压强改变量，一般會考慮在不同時間或空間下，声压的均方根（RMS）為其平均值。例如空氣中声压均方根為1Pa（94dbSPL）的聲音，表示其實際的壓强會在（1atm-√2Pa）及（1atm+√2Pa）之間變化，即在101323.6Pa及101326.4 Pa之間變化。若以压强的觀點來看，上述声压造成的压強變化很小，但若頻率在聲頻內，此音卻是震耳欲聋，可能會造成聽力損害的程度。
由於人耳可以感測的声音振幅範圍較廣，声压一般會表示為對數尺度，以分貝表示的聲壓級SPL來表示。聲壓級SPL可以用L表示．定義如下：
其中
- p為声压的均方根值
- 為參考聲壓，一般用的參考聲壓是以ANSI S1.1-1994為準，在空氣中為20 µPa，在水中為1 µPa。若沒有指定的參考聲壓，只有一個以分貝值表示的數值不能代表聲壓級。
因為人耳的響應率會隨頻率而變化，声压一般會再對頻率進行加權，使声压的數值更接近人耳所接收到的壓力。国际电工委员会定義了幾種加權的框架。A加權試著接近人耳對噪音的感受值，A加權的音壓一般會標示為dBA，C-加權一般會用來量測最大值。
应用 编辑
超声波 编辑
超聲波為超越人體可聽到的頻率，即大於20000赫茲。超声波被广泛应用于工业、军事、医疗等行业。在工业上，常用超声波来清洗精密零件，原理是利用超声波在清洗液中产生震荡波，使清洗液产生瞬间的小气泡，从而冲洗零件的每个角落。军事上，潜艇用声呐来发现敌军的舰船与潜艇。在医疗上，可以利用超声波进行洗牙和超声波碎胆结石等应用。
次声波 编辑
由火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等许多灾害性事件发生前都会产生出次声波，人们就可以利用这种前兆来预报灾害事件的发生。在军事上，可用利用核试验、火箭运行等产生的次声波获得相关的数据。
有關次声波對人體的伤害，有許多不同的說法，有些媒體認為次聲波可以造成人員的傷亡[13]，也有學者認為在实验中未能证明声压在170dB以下的次声波对听觉、平衡器官、肺脏或者其它内脏有任何破坏[14][15]。在185~190dB左右人的耳膜会破裂，这个声压相当于半个标准大气压。
噪音污染 编辑
随着社会的进步，噪声污染已经成为社会突显问题。据调查，噪音每上升一分贝，高血压发病率就增加3%[16]。影响人的神经系统，使人急躁、易怒；亦會影响睡眠，令人難以入睡，過大的噪音可以令人在睡中醒來，從而擾亂睡眠週期，造成睡眠不足或感到疲倦。40~50dB的聲音會干擾睡眠，60~70dB會干擾學習，120dB（或更高）會導致耳痛，聽力喪失。
回音 编辑
聲音是一種波動，遇到障礙物時，有些會被物體吸收，有些則會反射回來，射回來的聲音稱為回音。
相關條目 编辑
參考資料 编辑
- ^ ANSI S1.1-1994. American National Standard: Acoustic Terminology. Sec 3.03.
- ^ Acoustical Society of America. . [22 May 2013]. （原始内容存档于2013年5月14日）.
- ^ . [2014-07-08]. （原始内容存档于2010-11-23）.
- ^ . [2007-10-29]. （原始内容存档于2007-10-29）.
- ^ 5.0 5.1 . Mathpages.com. [2014-07-07]. （原始内容存档于2013-01-16）.
- ^ 千華數位文化; 張正頌; [國民營事業招考]. . 千華數位文化. 14 March 2014: 146– [2014-07-07]. ISBN 978-986-315-819-6. （原始内容存档于2014-07-16）.
- ^ David A. Bies; Colin H. Hansen. . CRC Press. 26 June 2009: 18– [2014-07-07]. ISBN 978-0-203-87240-6. （原始内容存档于2014-07-23）.
- ^ . Houghton Mifflin Company. 2000 [May 20, 2010]. （原始内容存档于2008-06-25）.
- ^ Music, Physics and Engineering - HARRY F AUTOR OLSON - Google Books. Books.google.com. [2014-07-07].
- ^ . 814.mnd.gov.tw. 2010-11-20 [2014-07-07]. （原始内容存档于2014-07-15）.
- ^ . Pet-love.com.tw. [2014-07-07]. （原始内容存档于2020-11-30）.
- ^ . Compoundsecurity.co.uk. 2008-02-21 [2009-06-21]. （原始内容存档于2010-10-24）.
- ^ . Scitech.people.com.cn. [2014-07-07]. （原始内容存档于2020-04-02）.
- ^ Jürgen Altmann: Acoustic Weapons - A Prospective Assessment. Science & Global Security, Volume 9, S. 165-234, 2001
- ^ 陈耀明，叶林，陈景元，骆文静，刘秀红，杨瑞华，龚书明：次声对大鼠大脑皮层超微结构和单胺氧化酶的影响. JOURNAL OF ENVIRONMENT AND HEALTH. Volume 21 (3), 2004. (PDF). [2014-07-07]. （原始内容 (PDF)存档于2015-06-17）.
- ^ . Books.google.com.tw. [2014-07-07]. （原始内容存档于2020-06-08）.
延伸阅读 编辑
[编]