聲學

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。^[1]

消音室中的人工全向聲源

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

• Mason W.P., Thurston R.N. Physical Acoustics (1981)

• Benade, Arthur H. Fundamentals of Musical Acoustics. New York: Oxford University Press. 1976. OCLC 2270137.
• M. Crocker (editor), 1994. Encyclopedia of Acoustics (Interscience).
• Farina, Angelo; Tronchin, Lamberto (2004). Advanced techniques for measuring and reproducing spatial sound properties of auditoria. Proc. of International Symposium on Room Acoustics Design and Science (RADS), 11–13 April 2004, Kyoto, Japan. Article
• L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens, and J. V. Sanders, 1999. Fundamentals of Acoustics, fourth edition (Wiley).
• Philip M. Morse and K. Uno Ingard, 1986. Theoretical Acoustics (Princeton University Press). ISBN 978-0-691-08425-1
• Allan D. Pierce, 1989. Acoustics: An Introduction to its Physical Principles and Applications (Acoustical Society of America). ISBN 978-0-88318-612-1
• Pompoli, Roberto; Prodi, Nicola. Guidelines for Acoustical Measurements inside Historical Opera Houses: Procedures and Validation. Journal of Sound and Vibration. April 2000, 232 (1): 281–301. doi:10.1006/jsvi.1999.2821. 引文使用過時參數coauthor (幫助)
• D. R. Raichel, 2006. The Science and Applications of Acoustics, second edition (Springer). eISBN 0-387-30089-9
• Rayleigh, J. W. S. The Theory of Sound. New York: Dover. 1894. ISBN 0-8446-3028-4.
• E. Skudrzyk, 1971. The Foundations of Acoustics: Basic Mathematics and Basic Acoustics (Springer).
• Stephens, R. W. B.; Bate, A. E. Acoustics and Vibrational Physics 2nd. London: Edward Arnold. 1966. 引文使用過時參數coauthor (幫助)
• Wilson, Charles E. Noise Control Revised. Malabar, FL: Krieger Publishing Company. 2006. ISBN 1-57524-237-0. OCLC 59223706.
• Falkovich, G. Fluid Mechanics, a short course for physicists. Cambridge University Press. 2011 [2013-12-25]. ISBN 978-1-107-00575-4. （原始內容存檔於2012-01-20）.

參考文獻

1. 關定華. 声学的进展. 中國科學院院刊. 1993年, (第3期): 第210頁.

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）