聲學

消音室中的人工全向聲源

聲學是物理學中波動學的一個領域，研究媒質中機械波，包括聲波、超聲波和次聲波。研究課題包括聲波的產生，接收，轉換和聲波的各種效應。同時聲學測量技術是一種重要的測量技術，有着廣泛的應用。

歷史

中國商代（公元前17～12世紀）的編磬已有很接近自然律的樂律，比畢達哥拉斯利用弦提出自然律的樂律要早一千多年。

基本概念

聲音是由物體振動產生的。聲音的傳播需要介質，它可在氣體、液體和固體中傳播，但真空不能傳聲。聲音在不同物質中的傳播速度也是不同的，一般在固體中傳播的速度最快，液體次之，在氣體中傳播得最慢。並且，在氣體中傳播的速度還與氣體的溫度和壓強有關。正常情況下，聲速約等於331+0.6*攝氏溫度 m/s，室溫15攝氏度時聲速約340 m/s，常溫（15攝氏度）時聲速約340米/秒。

一般而言，波長越長之聲音可以傳得越遠，但容易因散射而失真。相反地波長短的聲音雖然能量衰減快但不易散射，能夠直線傳遞聲音。

有規律的聲音叫樂音，沒有規律的聲音叫噪音。 響度、音調和音色是決定樂音特徵的三個因素。

• 響度。物理學中把人耳能感覺到的聲音的強弱稱為響度。聲音的響度大小一般與聲源振動的幅度有關，振動幅度越大，響度越大。分貝（dB）則常用來表示聲音的強弱。
• 音調。物理學中把聲音的高、低稱為音調。聲音的音調高低一般與發生體振動快慢有關，物體振動頻率越大，音調就越高。
• 音色。音色又叫音品，它反映了聲音的品質和特色。不同物體發出的聲音，其音色是不同的，因此我們才能分辨不同人講話的聲音、不同樂器演奏的聲音等。

另外，有許多聲音是正常人的耳朵聽不到的。因為聲波的頻率範圍很寬，由10^-4Hz到10¹²Hz，但正常人的耳朵在80分貝（dB）之下只能聽到20Hz到20000Hz之間的聲音。通常把高於20000Hz的聲音稱為超聲波，低於20Hz的聲音稱為次聲波，在20Hz到20000Hz之間的聲音稱為可聞聲。

一般來說正常人說話時，頻率通常落在150~2000HZ之間。而人耳對於約3000HZ的聲音最為敏感（由於人耳~2.7cm=波長/4）。

而音樂中所謂的音階，每差一個音階其頻率就差了兩倍（中音Do約262HZ，是低音Do之131HZ的兩倍）。在各自音階中每半音頻率會增加2^1/12倍（約1.0595倍）。

聲學分支

• 依據研究方法可分為：
  • 物理聲學（波動聲學）研究聲學的最基本問題，包括非線性聲學量子聲學等方面。
  • 幾何聲學（射線聲學）
  • 統計聲學
• 依據研究對象可分為：
  • 電聲學
  • 次聲學
  • 超聲學，應用如超聲檢測、評價和成像。
  • 噪聲學
  • 量子聲學，一般情況下，當頻率高到10⁹赫以上量子行為即顯示出來。
  • 非線性聲學，振幅大的聲波有非線性現象。
• 依據應用範圍：
  • 大氣聲學
  • 地殼中的聲波地震學
  • 水聲學研究聲在海洋中的傳播和應用，如聲遙感。
  • 生物聲學（醫療聲學）
  • 語言聲學
  • 心理聲學

延伸閱讀

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參考文獻

3.Jian-Jiun Ding, Advanced Digital Signal Processing class note, the Department of Electrical Engineering, National Taiwan University (NTU), Taipei, Taiwan, 2020.

外部連結

• Acoustical Society of America （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Institute of Acoustic in UK （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• National Council of Acoustical Consultants （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Institute of Noise Control Engineers （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）