声音

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利用其振動的薄膜,可以產生声音

声音是通过物体振动产生的声波。是通过介质空气固体液体)传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。

声音的频率一般會以赫兹表示,记为Hz,指每秒钟周期性变化的次数。而分贝是用来表示声音强度的单位,记为dB。


聲學[编辑]

聲學是一門跨領域的科學,研究氣體、液體及固體中的機械波,包括振動、聲音、超音波及次音波等。聲學中和工程有關的部份稱為聲學工程英语acoustical engineering[1],和負責錄音、聲音處理、混音及聲音複制的音響工程英语audio engineer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英语aeroacoustics聲音信號處理英语audio signal processing建筑声学生物聲學英语bioacoustics电子声学英语electro-acoustics環境聲学英语environmental noise音樂聲學英语musical acoustics噪音控制英语noise control心理声学說話超音波水下聲學英语underwater acoustics振動[2]

声音的原理[编辑]

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

声音的物理學[编辑]

声音的传播[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

  • 音速跟介质的彈性模量密度有关,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,因此聲音傳波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。
  • 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,詳見都普勒效應
  • 声音在經過不同音速的兩介質介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]

各种频率的正弦波;下面的波的频率比上面的高。在这里,水平方向表示时间。

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:

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。

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。

关于音速[编辑]

美國空軍F/A-18黃蜂式戰鬥攻擊機速度突破音障,因空氣周圍壓力的降低,因此水份凝結形成水蒸汽錐英语Vapor cone(即普朗特-格勞爾奇點[3][4]

一般來說,声速c通常与与介质的不可壓縮率与密度有关,利用连续介质力学经典力学,可导出下面的公式[5]

c = \sqrt{\frac{B}{\rho}}

其中B不可壓縮率\rho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c可表示成[5]

c=\sqrt{\frac{\partial p}{\partial\rho}}

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

c = \sqrt{kRT}

式中:

  • k絕熱指數,是气体定压比热与定容比热之比,双原子气体(包括空气)K=1.4
  • R气体常数,空气为0.287kJ/(kg·K)
  • T为绝对温度(K)

关于音速,若溫度在20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]

声音的接收[编辑]

人耳

「声音」一詞在生理學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范圍英语hearing range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20kHz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:2000~100000Hz
  • 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、下雨、風、海浪、地震)都產生其獨特的声音。像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。

因為人類耳朵聽覺范圍英语hearing range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[12]

声压[编辑]

声音的衡量
声压 p, SPL
粒子速度 v, SVL
粒子位移 ξ
声强 I, SIL
声功率 Pac
声能级 SWL
声能密度 E
声能通量 q
声阻抗 Z
声速 c
声频 AF

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,但若頻率在聲頻英语Audio frequency內,此此音卻是震耳欲聋,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:


L_\mathrm{p}=10\, \log_{10}\left(\frac{{p}^2}{{p_\mathrm{ref}}^2}\right) =20\, \log_{10}\left(\frac{p}{p_\mathrm{ref}}\right)\mbox{ dB}\,

其中

p為声压的均方根值
p_\mathrm{ref}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加權英语A-weighting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。

声音的应用[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等应用。

次声波[编辑]

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。「次声武器」有被列入二十世纪十大科技骗局之一[16]

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%[17]。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(甚至更高)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]

  1. ^ ANSI S1.1-1994. American National Standard: Acoustic Terminology. Sec 3.03.
  2. ^ Acoustical Society of America. PACS 2010 Regular Edition—Acoustics Appendix. [22 May 2013]. 
  3. ^ APOD: 19 August 2007 – A Sonic Boom
  4. ^ http://www.eng.vt.edu/fluids/msc/gallery/conden/mpegf14.htm
  5. ^ 5.0 5.1 The Speed of Sound. Mathpages.com. [2014-07-07]. 
  6. ^ 千華數位文化; 張正頌; [國民營事業招考]. 物理講義. 千華數位文化. 14 March 2014: 146–. ISBN 978-986-315-819-6. 
  7. ^ David A. Bies; Colin H. Hansen. Engineering Noise Control Theory and Practice, Fourth Edition. CRC Press. 26 June 2009: 18–. ISBN 978-0-203-87240-6. 
  8. ^ The American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth Edition. Houghton Mifflin Company. 2000 [May 20, 2010]. (原始内容存档于June 25, 2008). 
  9. ^ Music, Physics and Engineering - HARRY F AUTOR OLSON - Google Books. Books.google.com. [2014-07-07]. 
  10. ^ 噪音與震動. 814.mnd.gov.tw. 2010-11-20 [2014-07-07]. 
  11. ^ 狗的聽力及頻率. Pet-love.com.tw. [2014-07-07]. 
  12. ^ FAQs | Mosquito teen deterrent. Compoundsecurity.co.uk. 2008-02-21 [2009-06-21]. 
  13. ^ 聲波:殺人於無形無聲的恐怖武器. Scitech.people.com.cn. [2014-07-07]. 
  14. ^ Jürgen Altmann: Acoustic Weapons - A Prospective Assessment. Science & Global Security, Volume 9, S. 165-234, 2001
  15. ^ 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.[1]
  16. ^ 二十世紀的十大科學騙局. Big5.china.com.cn. [2014-07-07]. 
  17. ^ 留一个什么样的中国给未来: 中国环境警世录. Books.google.com.tw. [2014-07-07].