音波

**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音波，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

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，指每秒鍾週期、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，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。

## 聲音的物理學

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。

### 聲音的傳播

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

* 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，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，詳見都卜勒效應，
* 聲音在經過不同音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音。
* 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

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：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
* 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向量表示。

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。

橫波也稱為剪應力波，除了上述性質外，還有偏振性，這個不列在音波的性質中。

### 音速

音速又稱**聲速**。一般來說，音速 $c$ 通常與與介質的不可壓縮率與密度有關，利用連續介質力學及古典力學，可導出下面的公式：

　
: $c={\sqrt {\frac {B}{\rho }}}$

其中 $B$ 是不可壓縮率， $\rho $ 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，在古典力學適用範圍內，音速 $c$ 可表示成

　
: $c={\sqrt {\frac {\partial p}{\partial \rho }}}$

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

　
: $c={\sqrt {kRT}}$

式中：

* _k_ 為絕熱指數，是氣體定壓比熱與定容比熱之比，雙原子氣體（包括空氣）_K_=1.4
* _R_ 為氣體常數，空氣為 0.287kJ/（kg・K）
* _T_ 為絕對溫度（K）

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+0.6_T_（其中 _T_ 為攝氏溫度）。

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交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。

## 聲音的接收

「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。

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，其上限會隨年齡增加而降低。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
* 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。

## 聲壓

特定介質下的聲壓是指是指聲波通過某種媒質時，由振動所產生的壓力改變量，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（94db_SPL_）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。若以壓力的觀點來看，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：

　
: $L_{\mathrm {p} }=10\,\log _{10}\left({\frac {{p}^{2}}{{p_{\mathrm {ref} }}^{2}}}\right)=20\,\log _{10}\left({\frac {p}{p_{\mathrm {ref} }}}\right){\mbox{ dB}}\,$

其中

　
: _p_ 為聲壓的均方根值

　
: $p_{\mathrm {ref} }$ 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。

## 聲音的應用

### 超音波

超音波為超越人體可聽到的頻率，即大於 20000 赫茲。超音波被廣泛應用於工業、軍事、醫療等行業。在工業上，常用超音波來清洗精密零件，原理是利用超音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，可以利用超音波進行洗牙和超音波碎膽結石等應用。

### 次聲波

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，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。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

隨著社會的進步，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%。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

## 參考資料

## 延伸閱讀

[編]

　
: 《欽定古今圖書集成・經濟彙編・樂律典・聲音部》，出自陳夢雷《古今圖書集成》