聲波

聲學波動（英語：acoustic wave），即聲波，是一種在介質中傳播的能量，通過絕熱過程增壓與減壓。用於描述聲波的重要物理量有聲壓、粒子速度、粒子位移和音強。聲波以特定的速度傳播，這一速度取決於其通過的介質。從揚聲器播放的聲音（以聲速在空氣中傳播的波）、地震引起的地面運動（穿過地球的波）和用於醫學成像的超聲波（穿過身體的波）都屬於聲波。

此條目介紹的是聲學中的聲波現象。關於廣義上的聲，請見「聲音」。

屬性

聲波方程

主條目：聲波方程

聲波方程（英語：Acoustic wave equation）描述了聲波的傳播。下式是描述一維聲壓的聲波方程

${\displaystyle {\partial ^{2}p \over \partial x^{2}}-{1 \over c^{2}}{\partial ^{2}p \over \partial t^{2}}=0}$

其中

• ${\displaystyle p}$是聲壓，單位為帕
• ${\displaystyle x}$是波傳播方向上的位置，單位為米
• ${\displaystyle c}$是聲速，單位為米每秒
• ${\displaystyle t}$是時間，單位為秒

粒子速度的波動方程具有相同的形狀，如下式

${\displaystyle {\partial ^{2}u \over \partial x^{2}}-{1 \over c^{2}}{\partial ^{2}u \over \partial t^{2}}=0}$

其中

• ${\displaystyle u}$是粒子速度，單位為m/s

對於會損失聲波的傳播媒介，需要應用更複雜的模型以考慮頻率衰減和相速度變化。此類模型包括包含分數導數項的聲波方程，另請參見聲的衰減。

達朗貝爾給出了無損聲波方程的一般模型。對於聲壓，一種模型是

${\displaystyle p=R\cos(\omega t-kx)+(1-R)\cos(\omega t+kx)}$

其中

• ${\displaystyle \omega }$是角頻率，單位為rad/s
• ${\displaystyle t}$是時間，單位為秒
• ${\displaystyle k}$是波數，單位為rad·m ^-1
• ${\displaystyle R}$是係數，無單位

相位

主條目：相位

在行波中，壓力和質點速度同相，這意味着兩個量之間的相位角為零。

使用理想氣體定律可以很輕鬆地證明這一點

${\displaystyle pV=nRT}$

其中

• ${\displaystyle p}$是壓力，單位為帕
• ${\displaystyle V}$是體積，單位為平方米
• ${\displaystyle n}$是數量，單位為摩爾
• ${\displaystyle R}$是通用氣體常數，其值為${\textstyle 8.314\,472(15)~{\frac {\mathrm {J} }{\mathrm {mol~K} }}}$

考慮體積為${\displaystyle V}$。當聲波以該體積傳播時，會發生絕熱增壓和減壓。對於絕熱變化，包裹聲的體積${\displaystyle V}$與壓力${\displaystyle p}$存在以下關係

${\displaystyle {\partial V \over V_{m}}={-1 \over \ \gamma }{\partial p \over p_{m}}}$

其中，${\displaystyle \gamma }$是無單位的絕熱指數，其下標${\displaystyle m}$表示各自變量的平均值。

傳播速度

波象

聲波是彈性波，可表現出衍射、反射和干涉等現象。另外需要注意的是，空氣中傳播的聲波沿着相同的方向振盪，因此沒有極化。

干涉

干擾是兩個或更多波的添加，導致新的波型。當兩個揚聲器傳輸相同的信號時，可以觀察到聲波的干擾。在某些位置會發生相長干擾，使局部聲壓加倍。並且在其他位置發生相消干涉，導致局部聲壓為零帕斯卡。

==駐波== （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

反射

吸收

分層媒介

參見

• 聲學
• 聲學衰減（英語：Acoustic attenuation）
• 聲學超材料（英語：Acoustic metamaterial）
• 聽覺心像
• 音頻信號處理
• 拍頻
• Biot-Tolstoy-Medwin衍射模型（英語：Biot–Tolstoy–Medwin_diffraction_model）
• 衍射
• 多普勒效應
• 回聲
• 重力波 (流體力學)
• 音樂
• 音符
• 樂音
• 聲子
• 音樂聲學
• 音高
• 心理聲學
• 共振
• 折射
• 反射 (物理學)
• 混響
• 信號音（英語：Signal tone）
• 聲音
• 聲音定位（英語：Sound localization）
• 隔音
• 立體聲成像（英語：Stereo imaging）
• 結構聲學（英語：Structural acoustics）
• 音色
• 超聲波
• 波動方程
• 單向聲波方程（英語：One-way wave equation）
• 無法解釋的聲音列表（英語：List of unexplained sounds）

參考資料