聲音

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利用其振動的薄膜,可以產生聲音

聲音是通過物體振動產生的聲波。是通過介質空氣固體液體)傳播並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茲表示,記為Hz,指每秒鐘周期性變化的次數。而分貝是用來表示聲音強度的單位,記為dB。

聲學[編輯]

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語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語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語aeroacoustics聲音信號處理英語audio signal processing建築聲學生物聲學英語bioacoustics電子聲學英語electro-acoustics環境聲學英語environmental noise音樂聲學英語musical acoustics噪音控制英語noise control心理聲學說話超音波水下聲學英語underwater acoustics振動[2]

聲音的原理[編輯]

聲音是一種波動,當演奏樂器、拍打一扇門或者敲擊桌面時,聲音的振動會引起介質——空氣分子有節奏的振動,使周圍的空氣產生疏密變化,形成疏密相間的縱波,這就產生了聲波,這種現象會一直延續到振動消失為止。

聲音總可以被分解為不同頻率不同強度正弦波的疊加。這種變換(或分解)的過程,稱為傅立葉變換。因此,一般的聲音總是包含一定的頻率範圍。人耳可以聽到的聲音的頻率範圍在20到2萬赫茲(Hz)之間。高於這個範圍的波動稱為超音波,而低於這一範圍的稱為次聲波

聲音的物理學[編輯]

聲音的傳播[編輯]

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

  • 音速跟介質的彈性模量密度有關,彈性模量是單位體積物質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交互作用力就越大而使加速度變大,聲音就傳播的越快。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度的空氣中,聲音的傳播速度是331米/秒;在水中的傳播速度是1473米/秒;在鐵中的傳播速度是5188米/秒。
  • 聲音的傳播也與溫度有關,聲音在熱空氣中的傳播速度比在冷空氣中的傳播速度快。
  • 聲音在傳播還與相對運動有關,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
  • 聲音在經過不同音速的兩介質介面時會產生反射和折射,例如人面對群山呼喊,就可以聽得到自己的回聲。
  • 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[編輯]

各種頻率的正弦波;下面的波的頻率比上面的高。在這裡,水平方向表示時間。

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,在標準狀況下的空氣中,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。

橫波也稱為剪應力波,除了上述性質外,還有偏振性,這個不列在音波的性質中。

關於音速[編輯]

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氣錐英語Vapor cone(即普朗特-格勞爾奇點[3][4]

一般來說,聲速c通常與與介質的不可壓縮率與密度有關,利用連續介質力學古典力學,可導出下面的公式[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。

對於遠離液態工作點的理想氣體,則有

c = \sqrt{kRT}

式中:

  • k絕熱指數,是氣體定壓比熱與定容比熱之比,雙原子氣體(包括空氣)K=1.4
  • R氣體常數,空氣為0.287kJ/(kg·K)
  • T為絕對溫度(K)

關於音速,若溫度在20度左右,還有一個非常實用的經驗公式:c=331+0.6T(其中T為攝氏溫度)。[6][7]

聲音的接收[編輯]

人耳

「聲音」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。不過有時聲音只是指頻率在人類或其他動物聽覺範圍英語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聲音。對動物而言,聲音有偵測危險、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)都產生其獨特的聲音。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。

因為人類耳朵聽覺範圍英語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]

聲壓[編輯]

聲音的衡量
聲壓 p, SPL
粒子速度 v, SVL
粒子位移 ξ
聲強 I, SIL
聲功率 Pac
聲能級 SWL
聲能密度 E
聲能通量 q
聲阻抗 Z
聲速 c
聲頻 AF

特定介質下的聲壓是指是指聲波通過某種媒質時,由振動所產生的壓強改變數,一般會考慮在不同時間或空間下,聲壓的均方根(RMS)為其平均值。例如空氣中聲壓均方根為1Pa(94dbSPL)的聲音,表示其實際的壓強會在(1atm-2Pa)及(1atm+2Pa)之間變化,即在101323.6Pa及101326.4 Pa之間變化。若以壓強的觀點來看,上述聲壓造成的壓強變化很小,但若頻率在聲頻英語Audio frequency內,此此音卻是震耳欲聾,可能會造成聽力損害的程度。

由於人耳可以感測的聲音振幅範圍較廣,聲壓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為聲壓的均方根值
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,聲壓一般會再對頻率進行加權,使聲壓的數值更接近人耳所接收到的壓力。國際電工委員會定義了幾種加權的框架。A加權英語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。

聲音的應用[編輯]

超音波[編輯]

超音波為超越人體可聽到的頻率,即大於20000赫茲。超音波被廣泛應用於工業軍事醫療等行業。在工業上,常用超音波來清洗精密零件,原理是利用超音波在清洗液中產生震蕩波,使清洗液產生瞬間的小氣泡,從而沖洗零件的每個角落。軍事上,潛艇聲吶來發現敵軍的艦船與潛艇。在醫療上,可以利用超音波進行洗牙和超音波碎膽結石等等應用。

次聲波[編輯]

火山爆發龍捲風雷暴颱風等許多災害性事件發生前都會產生出次聲波,人們就可以利用這種前兆來預報災害事件的發生。在軍事上,可用利用核試驗火箭運行等產生的次聲波獲得相關的數據。

有關次聲波對人體的傷害,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],也有學者認為在實驗中未能證明聲壓在170dB以下的次聲波對聽覺、平衡器官、肺臟或者其它內臟有任何破壞[14][15]。在185~190dB左右人的耳膜會破裂,這個聲壓相當於半個標準大氣壓。「次聲武器」有被列入二十世紀十大科技騙局之一[16]

噪音污染[編輯]

隨著社會的進步,雜訊污染已經成為社會突顯問題。據調查,噪音每上升一分貝,高血壓發病率就增加3%[17]。影響人的神經系統,使人急躁、易怒;亦會影響睡眠,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。

迴音[編輯]

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,射回來的聲音稱為迴音

相關條目[編輯]

參考資料[編輯]

  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]. (原始內容存檔於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. ^ 陳耀明,葉林,陳景元,駱文靜,劉秀紅,楊瑞華,龔書明: 次聲對大鼠大腦皮層超微結構和單胺氧化酶的影響. 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. ^ 留一個什麼樣的中國給未來: 中國環境警世錄. Books.google.com.tw. [2014-07-07].