声音
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聲音是振動產生的聲波,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。
聲學
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]。
声音的原理
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
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。
声音的传播
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
- 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
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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:音調越高,頻率越大;音調越低,頻率越小。(介質相同時,fλ成反比)
- 波長:音調越高,波長越短;音調越低,波長越長。(介質相同時,fλ成反比)
- 波數
- 振幅:音量(響度)越大,振幅越大;音量越小,振幅越小。
- 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。
关于音速
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一般來說,声速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
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b8/Ear.jpg/150px-Ear.jpg)
「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: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
声音的衡量 | |
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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。
声音的应用
超声波
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等应用。
次声波
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
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
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
- 一般:
參考資料
- ^ ANSI S1.1-1994. American National Standard: Acoustic Terminology. Sec 3.03.
- ^ Acoustical Society of America. PACS 2010 Regular Edition—Acoustics Appendix. [22 May 2013]. (原始内容存档于2013年5月14日).
- ^ APOD: 19 August 2007 – A Sonic Boom
- ^ 存档副本. [2007-10-29]. (原始内容存档于2007-10-29).
- ^ 5.0 5.1 The Speed of Sound. Mathpages.com. [2014-07-07].
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ The American Heritage Dictionary of the English Language, Fourth Edition. Houghton Mifflin Company. 2000 [May 20, 2010]. (原始内容存档于六月 25, 2008).
- ^ Music, Physics and Engineering - HARRY F AUTOR OLSON - Google Books. Books.google.com. [2014-07-07].
- ^ 噪音與震動. 814.mnd.gov.tw. 2010-11-20 [2014-07-07]. (原始内容存档于2014-07-15).
- ^ 狗的聽力及頻率. Pet-love.com.tw. [2014-07-07].
- ^ FAQs. Compoundsecurity.co.uk. 2008-02-21 [2009-06-21]. 已忽略文本“ Mosquito teen deterrent ” (帮助)
- ^ 聲波:殺人於無形無聲的恐怖武器. Scitech.people.com.cn. [2014-07-07].
- ^ 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.存档副本 (PDF). [2014-07-07]. (原始内容 (PDF)存档于2015-06-17).
- ^ 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].
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