聲音振動傳播

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介紹

當任何物質振動並在介質中傳播時就會產生聲音，形成聲波。聲音被定義為一種能量形式，也是人體的重要感官。有些振動清晰可見，有些則不可見。放置在振動物體上的物體擾亂了粒子介質中粒子的平衡狀態，振動不斷地從一個粒子傳遞到另一個粒子。振動被定義為彈性體粒子或介質的週期性來回運動。聲音是一系列壓力波，透過可壓縮介質傳播。

什麼是聲波？

聲音表現為振動，它有助於作為聲波在諸如固體、液體或氣體之類的傳輸介質中傳播。聲波被稱為縱波 (Errico et al. 2020)。聲波是由物體的振動產生的，併產生壓力波，例如手機鈴聲。

圖1：聲波

壓力波擾亂了周圍介質中的粒子，這些粒子經常擾亂其他粒子。擾動模式以某種波浪模式向外移動，就像海洋或大海一樣 (Kapoor et al. 2021)。聲波透過介質向不同方向傳遞聲能，並且離聲源越遠，強度越弱。

聲波的特性

聲波主要具有五個特性，包括“振幅”、“頻率”、“速度”、“波長”和“時間”。

波長

聲波最基本的特性是波長。聲音包含一個縱波，當它們穿過特定介質時，由疏密相間構成 (Xu et al. 2020)。一個波重複之前傳播的距離就是波長。

速度

波的速度指的是傳播速度。它被定義為波在一秒鐘內傳播的米/秒距離。

圖2：聲音的傳播

振幅

振幅指的是波的大小。聲波的振幅或聲音的傳播更為精確。它被解釋為當聲波穿過介質時，粒子位移的最大擾動。

頻率

頻率指的是聲波的數量，每秒產生的聲音數量。低頻聲音的波較少，而高頻聲音的波較多 (Raghuvanshi & Snyder, 2018)。聲頻以赫茲 (HZ) 計算，不依賴於聲音傳播的介質。

週期

週期與頻率相反。它是產生一個完整的週期或波所需的時間。產生聲音的振動體的每次振動都類似於波。

聲速的傳播

聲音的傳播指的是聲音的傳播。聲音通常是由介質粒子的“往復”運動傳播的。當任何物體振動時，周圍介質中的粒子就會振動 (Curthoys et al. 2019)。聲音需要介質才能傳播。與振動物體接觸的粒子首先從平衡位置發生位移。

圖3：鐘罩實驗演示聲音傳播

聲音需要像鋼、水或空氣這樣的物質介質才能傳播。聲音不能穿過真空，這可以透過鐘罩實驗來證明。考慮鐘罩實驗，其中使用了密閉的玻璃罐和電鈴。電鈴懸掛在罐子裡面。從上圖可以看出，罐子連線到真空泵 (Brainkart, 2022)。如果電鈴響了，人們可以聽到鈴聲。罐子裡的空氣逐漸被抽出，當玻璃罐從真空泵上移開時，聲音會越來越微弱。如果空氣完全從玻璃罐中抽出，聲音將無法聽到。

影響聲速的因素

聲速取決於它傳播的介質的彈性和密度。與氣體相比，聲音在液體中傳播得更快 (Şahinoğlu & Rafighi, 2020)。它在固體中的傳播速度比在其他兩種介質中更快。

圖4：振動物體發出的聲音

某些因素會導致聲音在氣體中的傳播速度變慢。影響氣體中聲速的因素包括壓力、溫度、氣體密度、溼度、振幅、風和聲波頻率的變化。

介質	聲波速度（米/秒）
乾燥空氣	349
水	1437
玻璃	4540
鋁	6320
木材	3850

表1：不同介質中的聲速

結論

聲音是一種由振動物體產生的能量。當振動物體使其周圍的介質振動時，就會產生聲波。在物理學中，波的運動通常被稱為傳播。傳播介質需要介質具有彈性、無摩擦且具有慣性。介質的溫度和密度會影響聲音的傳播。波在其在固體介質中傳播的過程中可能會被“反射”、“折射”或“被介質衰減”。

常見問題

Q1. 聲波的型別有哪些？

聲波基本上分為三類：機械波、縱波和壓力波。低於20Hz的波被稱為次聲波，高於20000Hz的頻率被稱為超聲波。

Q2. 什麼能量被稱為聲振動？

聲能是當一種力（壓力或聲音）使物質或物體振動時產生的結果。能量以波的形式透過該物體傳播。這些形式的聲波被稱為動能機械能。

Q3. 聲音可以透過空氣傳播嗎？

聲音透過空氣或不同的介質以縱波的形式傳播。縱波中的聲音具有機械振動，其波沿波的傳播方向發生。

Q4. 為什麼聲音在固體中的傳播速度最快？

聲音在固體介質中的傳播速度最快，因為分子更靠近在一起。這使得聲波能夠更快地穿過它。

參考文獻

期刊

Curthoys, I. S., Grant, J. W., Pastras, C. J., Brown, D. J., Burgess, A. M., Brichta, A. M., & Lim, R. (2019). A review of mechanical and synaptic processes in otolith transduction of sound and vibration for clinical VEMP testing. Journal of Neurophysiology, 122(1), 259-276. Retrieved from: https://journals.physiology.org/doi/abs/10.1152/jn.00031.2019

Errico, F., Franco, F., De Rosa, S., Petrone, G., & Ichchou, M. (2020). Aeroelastic effects on wave propagation and sound transmission of plates and shells. AIAA Journal, 58(5), 2269-2275. Retrieved from: https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J058722

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Raghuvanshi, N., & Snyder, J. (2018). Parametric directional coding for precomputed sound propagation. ACM Transactions on Graphics (TOG), 37(4), 1-14. Retrieved from: https://dl.acm.org

Şahinoğlu, A., & Rafighi, M. (2020). Investigation of vibration, sound intensity, machine current and surface roughness values of AISI 4140 during machining on the lathe. Arabian Journal for Science and Engineering, 45(2), 765-778. Retrieved from: https://link.springer.com/article/10.1007/s13369-019-04124-x

Xu, Z., He, W., Xin, F., & Lu, T. J. (2020). Sound propagation in porous materials containing rough tubes. Physics of Fluids, 32(9), 093604. Retrieved from: https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0017710

網站

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