聲音
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，指每秒鐘週期性震動的次數。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。
辨義[編輯]
傳統漢語文獻對「聲」和「音」的明確區分最早見於《禮記・樂記》：「凡音之起，由人心生也。人心之動，物使之然也。感於物而動，故形於聲；聲成文，謂之音。」以及「知聲而不知音者，禽獸是也。」因此，「聲」和「音」 兩者的區別不在於發聲主體，而在於結構化程度：「聲」指單發的、散亂的波動（相當於物理上的原始信號），包括所有聲音聲響，所謂「感於物而動，故形於聲」；「音」指經過編排、有節奏、有法度的聲（相當於「樂」或「語言」），限定有韻律有組織的聲，所謂「聲成文，謂之音」。由此，「音」指代「成系統的聲」。
現代漢語在科技術語體系里，「聲」和「音」二者的區分比文言更明確，「聲」較廣義，是客觀物理存在實體，對應所有物理學力學振動波（聲波），覆蓋人耳可聽及不可聽全頻段，與人耳能否感知無關；例如：可聽聲、超聲、次聲。而「音」較狹義，是主觀人耳感知屬性，僅描述聽覺感受或信號特徵，且限定 20Hz～20kHz 頻段的聲波；例如：音調（頻率感知）、音色（波形特徵）、噪音（主觀不適的可聽聲），還有音律、音階、音質、音量、音高等，仍指有組織的聲。因此，「聲」和「音」二者分工明確，不存在混同；而 ultrasound 按定義，漢語應稱超聲，是超越頻率 20kHz閾值的客觀實體（聲），而非超越可聽聲的主觀屬性（音）。
現代漢語在日常口語場景里，「聲」和「音」二者經常統稱「聲音」。
日語漢字的邏輯則與漢語不同，「聲」和「音」的區分不是繼承自漢語文言，而有自身的語義；且日語漢字的音讀（學術語詞）與訓讀（日常生活），對於「聲」和「音」的區分完全是兩套獨立邏輯，連單獨的漢字「音」，在音讀與訓讀中的定義也不同，存在本質上的錯位，情況更為複雜。
聲學[編輯]
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，指每秒週期、液體及固體的機械波，包括振動、聲音、超聲波和次聲波等。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、超聲波、水下聲學及振動[2]。
物理學[編輯]
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。
台灣的物理學界及教育界所用的術語亦為：聲源、聲波、聲速、超聲波、超聲速[3][4][5][6]。
傳播[編輯]
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
- 聲音的傳播也與溫度有關，聲音在熱空氣中的傳播速度比在冷空氣中的傳播速度快。
- 聲音在傳播還與相對運動有關，聲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，詳見都卜勒效應，
- 聲音在經過不同聲速的兩個介質面時會產生反射和折射，例如人面對群山呼喊，就可以聽得到自己的回聲。
- 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。
聲波的性質及特性[編輯]
聲波[7]（acoustic waves，sound waves）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：頻率越大，音調越高；頻率越小，音調越低。（介質相同時，f和λ成反比）
- 波長：波長越短，音調越高；波長越長，音調越低。（介質相同時，f和λ成反比）
- 波數
- 振幅：振幅越大，音量（響度）越大；振幅越小，音量越小。
- 聲壓
- 聲強
- 聲速
- 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，在標準狀況下的空氣中，上述聲波對應的波長從17 m至17 mm之間。有時聲速及其方向會用速度向量來表示，波數和其方向則會用波向量表示。
當發聲體越短、越細、越緊、越薄時，音調越高、頻率越大、波長越短；發聲體越長、越粗、越鬆、越厚時，音調越低、頻率越小、波長越長。
橫波也稱為剪應力波，除了上述性質外，還有偏振性，這個不列在聲波的性質中。
聲速[編輯]
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聲速又稱音速。一般來說，聲速<math>c</math>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[10]：
- <math>c = \sqrt{\frac{B}{\rho}}</math>
其中<math>B</math>是不可壓縮率，<math>\rho</math>是密度。因此聲速隨着介質的不可壓縮率增加而變快，隨着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，聲速<math>c</math>可表示成[10]
- <math>c=\sqrt{\frac{\partial p}{\partial\rho}}</math>
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
- <math>c = \sqrt{kRT}</math>
式中：
關於聲速，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）。[11][12]
聲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。數學形式詳見聲速頁面。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。
接收[編輯]
「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[13]。
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[14]，其上限會隨年齡增加而降低[15]。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：150～100000Hz
- 貓：60～65000Hz
- 狗：40～50000Hz[16]
- 人：20～20000Hz
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[17]。
聲壓[編輯]
| 聲音的衡量 | |
|---|---|
特徵 | 符號 |
| 聲壓 | p, SPL,LPA |
| 粒子速度 | v, SVL |
| 粒子位移 | δ |
| 聲強 | I, SIL |
| 聲功率 | P, SWL, LWA |
| 聲能 | W |
| 聲能密度 | w |
| 暴露聲級 | E, SEL |
| 聲阻抗 | Z |
| 聲頻 | AF |
| 傳輸損耗 | TL |
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：
- <math>
L_\mathrm{p}=10\, \log_{10}\left(\frac{{p}^2}{{p_\mathrm{ref}}^2}\right) =20\, \log_{10}\left(\frac{p}{p_\mathrm{ref}}\right)\mbox{ dB}\, </math>
其中
- p為聲壓的均方根值
- <math>p_\mathrm{ref}</math>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，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加權試着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。
應用[編輯]
超聲波[編輯]
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。
次聲波[編輯]
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[18]，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[19][20]。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。
噪音污染[編輯]
隨着社會的進步，雜訊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%[21]。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。
回聲[編輯]
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。
相關條目[編輯]
- 一般：
參考資料[編輯]
- ^ 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]. （原始內容存檔於2013年5月14日）.
- ^ 聲波. 臺大開放式課程.
- ^ 聲波. 翰林雲端學院.
- ^ 保羅・朗之萬，與德國U型潛艇和超聲波. 物理雙月刊.
- ^ 超聲波技術結合機器學習用於電池的黏彈性分析及狀態估計 (PDF). 國立臺灣大學工學院應用力學研究所.
- ^ 聲波. 教育百科.
- ^ APOD: 19 August 2007 – A Sonic Boom. [2014-07-08]. （原始內容存檔於2010-11-23）.
- ^ 存档副本. [2007-10-29]. （原始內容存檔於2007-10-29）.
- ^ 10.0 10.1 The Speed of Sound. Mathpages.com. [2014-07-07]. （原始內容存檔於2013-01-16）.
- ^ 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– [2014-07-07]. ISBN 978-986-315-819-6. （原始內容存檔於2014-07-16）.
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- ^ Music, Physics and Engineering - HARRY F AUTOR OLSON - Google Books. Books.google.com. [2014-07-07].
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- ^ FAQs | Mosquito teen deterrent. Compoundsecurity.co.uk. 2008-02-21 [2009-06-21]. （原始內容存檔於2010-10-24）.
- ^ 聲波：殺人於無形無聲的恐怖武器. Scitech.people.com.cn. [2014-07-07]. （原始內容存檔於2020-04-02）.
- ^ Jürgen Altmann: Acoustic Weapons - A Prospective Assessment. Science & Global Security, Volume 9, S. 165-234, 2001
- ^ 陳耀明，葉林，陳景元，駱文靜，劉秀紅，楊瑞華，龔書明：次聲對大鼠大腦皮層超微結構和單胺氧化酶的影響. JOURNAL OF ENVIRONMENT AND HEALTH. Volume 21 (3), 2004.存档副本 (PDF). [2014-07-07]. （原始內容 (PDF)存檔於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]. （原始內容存檔於2020-06-08）.
延伸閱讀[編輯]
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