學習聲學常識 (一)

聲音的產生

空氣中各種聲音的來源，無論它們以何種形式存在，皆源於物體的振動：當我們敲擊鼓面時，耳邊響起的鼓聲與手指觸碰到的振動是密不可分的；人類的言語則是喉嚨聲帶的微妙振動所產生的；而汽笛的尖銳聲音和噴氣飛機的轟鳴，則是氣體在排放過程中所引發的振動所致。總而言之，物體的振動是聲音的根本來源，這些發出聲音的物體被稱為聲源。聲源所發出的聲音必須透過某種媒介才能傳播，而我們最熟悉的傳聲媒介便是空氣，除了氣體，液體和固體同樣能夠傳遞聲音。振動在媒介中傳播的速度稱為聲速，而聲速的快慢則取決於媒介的彈性和密度，因此聲音在不同媒介中的傳播速度各不相同：在液體和固體中，聲音的傳播速度通常遠快於空氣，例如在水中聲速可達1450米每秒，而在銅中則高達5000米每秒。此外，聲音在空氣中的傳播速度隨著空氣溫度的上升而增加。

向前推進的空氣振動被稱為聲波，而聲波傳播的空間則稱為聲場。當聲音在空氣中傳播時，空氣中的質點並不會被帶走，它們只是圍繞著原來的位置來回振動，因此聲音的傳播實際上是振動的傳遞。如果物體的振動幅度隨時間變化呈現出正弦曲線的形狀，那麼這種振動便被稱為簡諧振動。在物體進行簡諧振動的同時，周圍的空氣質點也會隨之進行簡諧振動。物體偏離靜止位置的距離稱為位移χ，而最大的位移則稱為振幅α。簡諧振動的位移與時間的關係可表示為χ=αsin(2πft+φ)，其中f為頻率，(2πft+φ)則是簡諧振動的位相角，這是決定物體運動狀態的重要物理量，而振幅α的大小則直接影響聲音的強弱。

物體每秒振動的次數被稱為頻率，單位是赫茲（Hz）。振動次數越多，頻率就越高，耳朵聽到的聲音就會變得越尖銳，音調也隨之上升。然而，人耳並不是對所有頻率的振動都能感知的。一般來說，人耳能聽到的聲音頻率範圍在20到20000赫茲之間，這個範圍的聲音我們稱之為音頻聲。低於20赫茲的聲音被稱為次聲，而高於20000赫茲的聲音則叫做超聲。雖然人耳無法聽到次聲和超聲，但某些動物卻能感知到這些聲音，例如老鼠能聽到次聲，而蝙蝠則能感受到超聲。

在聲波中，兩個相鄰的壓縮區或膨脹區之間的距離稱為波長λ，單位是米（m）。波長代表聲音在一個周期內所行進的距離。波長與頻率呈反比，頻率越高，波長越短；反之，頻率越低，波長則越長。