聲速傳播

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簡介

聲波對人類生活至關重要，因為它們在生活的無數方面都起著至關重要的作用，例如它們主要用於資訊傳播。

聲波應用於多個領域，例如在導航、利用聲納（一種探測聲波的裝置）跟蹤船舶和飛機。這些裝置有助於進行有效的通訊。

在娛樂領域，聲音也用於磁帶、收音機等。但是，需要注意的是，在聲波傳播過程中，聲波會受到相應介質的反射、折射以及衰減。

什麼是聲音？

聲波可以被認為是一種由振動產生的能量形式。在進行這種振動時，聲波會導致其周圍存在的其他空氣分子也發生振動。

這是因為聲波分子的振動傾向於迫使附近的分子也發生振動，從而使這些聲波粒子在相應的介質中傳播（Bohlen 等人，2020）。

需要注意的是，如果沒有任何介質，聲波就無法傳播。

聲音的特徵

聲波形成多個連續的波峰和波谷。這兩個連續的波谷或波峰之間的距離稱為該特定波的波長。

然而，頻率由特定時間單位內形成的週期數決定（Ville 等人，2018）。

聲波具有振幅、週期、速度和速率，這些特性有助於說明聲波的性質。波的最小重複距離稱為波長。

圖 1：聲波

聲速的定義及其數學表示式

聲速是指波在各種介質中傳播的動態過程。但是，需要注意的是，聲音在不同介質中傳播時，其速度會發生變化（Pages.jh，2022）。在討論聲速時，需要考慮到聲速始終是在彈性介質中傳播時計算的。

氣體介質中聲速的數學表示式為：𝜈 = √ 𝛾 P/ 𝜌，其中，𝜈表示聲速，P表示氣體介質內的壓強。𝛾表示絕熱係數，最後，𝜌表示聲音傳播的介質的密度。

圖 2：聲波的速度

聲音傳播的例子

在我們日常生活中可以找到許多聲音傳播的例子，例如空調風扇、飛機起飛、蜜蜂嗡嗡聲和氣球爆裂聲（Sfu，2022）。在物理學領域，聲波被用於探測潛艇、飛機等的位置。

圖 3：聲波的速度

影響聲速的因素

影響聲速的因素是相應介質的溫度和密度。當聲波從一種介質傳播到另一種介質時，相應介質的密度會影響速度，因為它們彼此成正比（Sciencedirect，2022）。因此，這意味著在密度高的介質中，速度會更高。此速度也與溫度成正比，因為在高溫下，聲音似乎傳播得更快。

聲波在不同介質中的速度

在固體介質中，聲速相對於其他介質較高，約為 6000 m/s，這是由於密度較高。然而，聲速在液體和氣體中較低，在真空中，聲波不會傳播。

結論

在本教程中，我們注意到聲波是我們日常生活中廣泛應用的一個必要方面。然而，由於聲波性質的獨特特徵，我們注意到了一些現象，例如吉他的絃樂，可以用來解釋聲波的產生。然而，密度和溫度在決定影響聲速的因素方面起著重要作用。

常見問題

Q1. 什麼被定義為聲音的強度？

聲音的強度由透過單位面積的點的能量量決定。然而，聲音的強度與聲源和聲波透過的點之間的距離的平方成反比。此外，聲音的強度與頻率的平方以及介質的振動成正比。因此，它也與相應介質的密度成正比。

Q2. 什麼特性適用於區分尖銳和沉悶的聲音？

音調的概念最適用於區分沉悶和尖銳的聲音。這是因為音調取決於與聲波相關的頻率，它們彼此成正比。這意味著頻率越高，音調也會越高。

Q3. 影響氣體介質中聲速的因素有哪些？

影響氣體介質中聲速的因素是相應介質的彈性和密度。但是，需要注意的是，聲速高度依賴於介質的成分和溫度。在空氣介質中，聲波的行為傾向於由於依賴於正常空氣相關的頻率和壓力而發生偏轉。

參考文獻

期刊

Bohlen, M.、Sobirey, L.、Luick, N.、Biss, H.、Enss, T.、Lompe, T. 和 Moritz, H. (2020)。二維費米氣體中的聲傳播和量子極限阻尼。物理評論快報，124(24)，240403。檢索自：https://journals.aps.org

Ville, J. L.、Saint-Jalm, R.、Le Cerf, É.、Aidelsburger, M.、Nascimbène, S.、Dalibard, J. 和 Beugnon, J. (2018)。均勻超流二維玻色氣體中的聲傳播。物理評論快報，121(14)，145301。檢索自：https://journals.aps.org

網站

Pages.jh，(2022)，振動，檢索自：https://pages.jh.edu [檢索於 2022 年 6 月 17 日]

Pressbooks-dev.oer.hawaii，(2022)，聲速，檢索自： http://pressbooks-dev.oer.hawaii.edu/ [檢索於 2022 年 6 月 17 日]

Sciencedirect，(2022)，聲傳播，檢索自：https://www.sciencedirect.com/ [檢索於 2022 年 6 月 17 日]

Sfu，(2022)，聲速，檢索自：https://www.sfu.ca/ [檢索於 2022 年 6 月 17 日]