声学

声学是一个跨领域的科学，研究气体、液体及固体的机械波，包括振动、声音、超声波和次音波等。声学中和工程有关的部分称为 声学工程 （ 英语 ： acoustical engineering ） ，和负责录音、声音处理、混音及声音复制的音响工程不同。

声学的应用几乎和在现代社会的每个层面都有关，其子领域包括 航空声学 （ 英语 ： aeroacoustics ） 、声音信号处理、建筑声学、 生物声学 （ 英语 ： bioacoustics ） 、 电子声学 （ 英语 ： electro-acoustics ） 、 环境声学 （ 英语 ： environmental noise ） 、 音乐声学 （ 英语 ： musical acoustics ） 、 噪音控制 （ 英语 ： noise control ） 、心理声学、说话、超声波、 水下声学 （ 英语 ： underwater acoustics ） 及振动 。

声音的原理

声音是一种波动，当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时，声音的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就产生了声波，这种现象会一直延续到振动消失为止。

声音总可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。这种变换（或分解）的过程，称为傅里叶变换。因此，一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹（Hz）之间。高于这个范围的波动称为超声波，而低于这一范围的称为次声波。

声音的物理学

当物体振动时，同时伴随声音的产生。当振动体不再振动时，声音也随之停止。所以从生活的观察中可以归纳出：声音是由物体的振动所引起。

声音的传播

因为声音是一种机械波，拥有波动传播的性质，例如频率，波长，反射，折射，干涉，衍射，散射等

音速跟介质的弹性模量和密度有关，弹性模量是单位体积物质的抗力和形变量之比值，弹性模量越大，物质间不同形变程度处的相互作用力就越大而使加速度变大，声音就传播的越快。但若弹性模量相同之材料，密度越大则会使不同形变程度处之间的加速度降低，导致声音传播的速度降低，因此声音传波的速度和两者皆相关。数学形式详见音速页面。摄氏0度的空气中，声音的传播速度是331米/秒；在水中的传播速度是1473米/秒；在铁中的传播速度是5188米/秒。

声音的传播也与温度有关，声音在热空气中的传播速度比在冷空气中的传播速度快。

声音在传播还与相对运动有关，音速是相对于静止介质而言的，因此若介质和观察者有相对运动，则声音抵达的时间则要考虑相对运动。

音频在不同之相对运动状态时也会改变，详见都普勒效应，

声音在经过不同音速的两介介质面时会产生反射和折射，例如人面对群山呼喊，就可以听得到自己的回声。

干涉的例子是例如放烟火时若周遭有具有周期性的建筑结构存在，则听者会在烟火爆炸声后听到一个有特殊频率的回声，此和光谱和光栅分光原理相同。

衍射的例子是当房门开启一个小缝时，房内所有的角落都听得见由门缝传播进来的声音。

音波的性质及特性

  各种频率的正弦波;下面的波的频率比上面的高。在这里，水平方向表示时间。

音波常简化为正弦平面波的合成，各平面波可以用以下的性质来描述：

频率：音调越高，频率越大；音调越低，频率越小。（介质相同时，fλ成反比）

波长：音调越高，波长越短；音调越低，波长越长。（介质相同时，fλ成反比）

波数

振幅：音量（响度）越大，振幅越大；音量越小，振幅越小。

声压

音强

音速

方向

音色：即波形

人耳可以感知到的声音，其频率范围为20 Hz至20,000 Hz，在标准状况下的空气中，上述音波对应的波长从17 m至17 mm之间。有时音速及其方向会用速度矢量来表示，波数和其方向则会用波矢表示。

当发音体越短、越细、越紧、越薄时，音调越高、频率越大、波长越短；发音体越长、越粗、越松、越厚时，音调越低、频率越小、波长越长。

横波也称为剪应力波，除了上述性质外，还有偏振性，这个不列在音波的性质中。

关于音速

  美国海军的F/A-18黄蜂式战斗攻击机速度突破音障，因空气周围压力的降低，因此水分凝结形成水蒸汽锥（即普朗特-格劳尔奇点）

一般来说，声速 c {\displaystyle c} 通常与与介质的不可压缩率与密度有关，利用连续介质力学及经典力学，可导出下面的公式 ：

其中 B {\displaystyle B} 是不可压缩率， ρ ρ --> {\displaystyle \rho } 是密度。因此音速随着介质的不可压缩率增加而变快，随着介质的密度增加而变慢。

对于一般的状态方程，在经典力学适用范围内，音速 c {\displaystyle c} 可表示成

此处偏微分针对绝热变化。

对于远离液态工作点的理想气体，则有

式中：

k 为绝热指数，是气体定压比热与定容比热之比，双原子气体（包括空气） K =1.4

R 为气体常数，空气为0.287kJ/（kg·K）

T 为绝对温度（K）

关于音速，若温度在20度左右，还有一个非常实用的经验公式： c =331+0.6 T （其中 T 为摄氏温度）。

声音的接收

  人耳

“声音”一词在生理学及心理学上的定义是指大脑所接收到的声音，和物理学的定义略有差异，心理声学中有许多心理学和声学有关的研究。不过有时声音只是指频率在人类或其他动物 听觉范围 （ 英语 ： hearing range ） 内的振动 。

任何器官所接收的声音频率都有其范围限制。人类的耳朵一般只能听到约在20Hz至20,000 Hz（20kHz）范围内的声音 ，其上限会随年龄增加而降低 。其他物种动物的听觉频率范围也有所不同，像狗可以听到超过20kHz的声音，但无法听到40 Hz以下的声音。不同物种动物的听觉频率范围如下：

蝙蝠：1000～120000Hz

海豚：2000～100000Hz

猫：60～65000Hz

狗：40～50000Hz

人：20～20000Hz

动物重要感官中的听觉即是接收声音。对动物而言，声音有侦测危险、导航、捕食及沟通等作用。地球的大气、水及许多自然界现象（像火、下雨、风、海浪、地震）都产生其独特的声音。像蛙、鸟及哺乳动物也都发展出产生声音的器官。人类的语言也是借由声音来传递，是文化重要的一环，人类也发展出产生、录制、传送及播放声音的技术。

因为人类耳朵 听觉范围 （ 英语 ： hearing range ） 的频率上限会随年龄而下降，也就表示年轻人可以听到的高频率声音，年龄较大的人不一定听得到。因此有些设备故意发出只有年轻人可以听到的高频率，可以制止年轻人集会，而不会影响其他年龄的人，称为蚊音器 。

声压

特定介质下的声压是指是指声波通过某种媒质时，由振动所产生的压强改变量，一般会考虑在不同时间或空间下，声压的均方根（RMS）为其平均值。例如空气中声压均方根为1Pa（94db SPL ）的声音，表示其实际的压强会在（1atm- √ 2 Pa）及（1atm+ √ 2 Pa）之间变化，即在101323.6Pa及101326.4 Pa之间变化。若以压强的观点来看，上述声压造成的压强变化很小，但若频率在 声频 （ 英语 ： Audio frequency ） 内，此此音却是震耳欲聋，可能会造成听力损害的程度。

由于人耳可以感测的声音振幅范围较广，声压一般会表示为对数尺度，以分贝表示的声压级 SPL 来表示。声压级 SPL 可以用 L 表示．定义如下：

其中

因为人耳的响应率会随频率而变化，声压一般会再对频率进行加权，使声压的数值更接近人耳所接收到的压力。国际电工委员会定义了几种加权的框架。 A加权 （ 英语 ： A-weighting ） 试着接近人耳对噪音的感受值，A加权的音压一般会标示为dBA，C-加权一般会用来量测最大值。

声音的应用

超声波

超声波为超越人体可听到的频率，即大于20000赫兹。超声波被广泛应用于工业、军事、医疗等行业。在工业上，常用超声波来精密零件，原理是利用超声波在液中产生震荡波，使液产生瞬间的小气泡，从而冲洗零件的每个角落。军事上，潜艇用声呐来发现敌军的舰船与潜艇。在医疗上，可以利用超声波进行洗牙和超声波碎胆结石等等应用。

次声波

由火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等许多灾害件发生前都会产生出次声波，人们就可以利用这种前兆来预报灾害事件的发生。在军事上，可用利用核试验、火箭运行等产生的次声波获得相关的数据。

有关次声波对人体的伤害，有许多不同的说法，有些媒体认为次声波可以造成人员的伤亡 ，也有学者认为在实验中未能证明声压在170dB以下的次声波对听觉、平衡器官、肺脏或者其它内脏有任何破坏 。在185~190dB左右人的耳膜会破裂，这个声压相当于半个标准大气压。“次声武器”有被列入二十世纪十大科技骗局之一 。

噪音污染

随着社会的进步，噪声污染已经成为社会突显问题。据调查，噪音每上升一分贝，高血压发病率就增加3% 。影响人的神经系统，使人急躁、易怒；亦会影响睡眠，令人难以入睡，过大的噪音可以令人在睡中醒来，从而扰乱睡眠周期，造成睡眠不足或感到疲倦。40~50dB的声音会干扰睡眠，60~70dB会干扰学习，120dB（或更高）会导致耳痛，听力丧失。

回音

声音是一种波动，遇到障碍物时，有些会被物体吸收，有些则会反射回来，射回来的声音称为回音。

相关条目

音源：乐器、音箱、耳机、声纳、录音声音量测：一般：

免责声明：以上内容版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。感谢每一位辛勤著写的作者，感谢每一位的分享。