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波動現象 来自维基百科,自由的百科全书
聲音是振動產生的聲波,通過介質(氣體、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,指每秒鐘周期性震動的次數。而分貝是用來表示聲音強度的單位,記為dB。
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聲波,而低於這一範圍的稱為次聲波。
文言文中,「聲」特指人聲,而「音」特指其他聲音;而在現代漢語中,「聲」與「音」意思已混同為「聲音」,並簡稱為「聲」或「音」,而文言文中「聲」在現代漢語中被稱為「人聲」。日語中則仍保留文言文中的區別。
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、建築聲學、生物聲學、電子聲學、環境聲學、音樂聲學、噪音控制、心理聲學、說話、超音波、水下聲學及振動[2]。
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。
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。
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。
音速又稱聲速。一般來說,音速通常和介質的不可壓縮率與密度有關,利用連續介質力學及經典力學,可導出下面的公式[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。
對於遠離液態工作點的理想氣體,則有
式中:
關於音速,若溫度在20攝氏度左右,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]
音速跟介質的彈性模量和密度有關,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相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,因此聲音傳播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」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。不過有時聲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:
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、雨、風、海浪、地震)都產生其獨特的聲音。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]。
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量,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,但若頻率在聲頻內,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:
其中
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。
超聲波為超越人體可聽到的頻率,即大於20000赫茲。超聲波被廣泛應用於工業、軍事、醫療等行業。在工業上,常用超聲波來清洗精密零件,原理是利用超聲波在清洗液中產生震盪波,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,潛艇用聲吶來發現敵軍的艦船與潛艇。在醫療上,可以利用超聲波進行洗牙和超聲波碎膽結石等應用。
由火山爆發、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。
隨着社會的進步,噪聲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%[16]。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(或更高)會導致耳痛,聽力喪失。
聲音是一種波動,遇到障礙物時,有些不會被物體吸收,有些則會反射回來,射回來的聲音稱為回音。