了解聲波運作原理

當鼓被敲打時，鼓面振動，這些振動通過空氣以聲波的形式傳播。當它們撞擊耳朵時，這些波會產生聲音的感覺。

聲音研究中使用的術語

• 聲學 是研究聲音及其對人影響的科學。
• 壓縮區 是聲波中聲音介質比正常情況下密集的區域。
• 分貝 (dB) 是用來測量聲音強度的單位。3000赫茲的0 dB音調是正常人耳可以聽到的最輕聲音。
• 頻率 是每秒通過給定點的聲波數量。
• 赫茲 是用來測量聲波頻率的單位。一赫茲等於每秒一個循環（振動或聲波）。
• 強度 是聲波能量的衡量。
• 響度 指我們聽到的聲音的強度。
• 噪音 是令人不快、煩擾和分心的聲音。
• 音高 是我們聽到的聲音的高低程度。
• 稀疏區 是聲波中聲音介質密度比正常情況下小的區域。
• 共振頻率 是物體受到干擾時自然振動的頻率。
• 聲音介質 是聲波傳播的物質。例如，空氣就是一種聲音介質。
• 音質 也稱為音色，是音樂聲音的一個特徵。音質區分了由不同樂器產生的相同頻率和強度的音符。
• 超聲波 是超出人類聽力範圍的頻率的聲音，即超過20,000赫茲。
• 波長 是波的任意點與下一個波的對應點之間的距離。

技術上，聲音被定義為通過彈性介質（受變形後傾向於回到原狀的材料）傳播的機械擾動。介質不一定是空氣。金屬、木材、石頭、玻璃、水和許多其他物質都能傳導聲音，許多物質甚至比空氣傳導得更好。

聲音的基本知識

聲音來源很多。常見的聲音包括人的聲帶振動，振動的琴弦（鋼琴、小提琴），振動的空氣柱（小號、長笛），以及振動的固體（有人敲門時的門）。列舉這些聲音源是不可能的，因為任何對彈性介質產生擾動的東西都是聲音的來源。

聲音可以用音高來描述——從遠處雷聲的低沉隆隆聲到蚊子的高頻嗡嗡聲。然而，音高和響度是主觀的品質；它們部分取決於聽者的聽覺感知。聲音的客觀、可測量的品質包括頻率和強度，這些與音高和響度有關。這些術語以及討論聲音時使用的其他術語最好通過檢查聲波及其行為來理解。

聲波

空氣，如同所有物質一樣，由分子組成。即使是一個很小的空氣區域也包含大量的空氣分子。這些分子在不斷運動中，隨機移動且速度極快。它們不斷相互碰撞並反彈，並且與接觸空氣的物體碰撞並反彈。

當物體振動時，它會在空氣中產生聲波。例如，當鼓面被槌子敲打時，鼓面振動並產生聲波。振動的鼓面產生聲波，因為它交替向外和向內移動，推動並遠離其旁邊的空氣。當空氣分子撞擊正向外移動的鼓面時，它們會反彈並獲得比正常更高的能量和速度，這是因為鼓面給了它們一個推力。

這些快速移動的分子移動到周圍的空氣中。片刻之間，鼓面旁邊的區域比正常情況下有更多的空氣分子——它成為一個壓縮區。當這些快速移動的分子超越周圍空氣中的空氣分子時，它們會與後者碰撞並傳遞其額外的能量。隨著來自振動鼓面的能量被轉移到越來越遠的分子群體中，壓縮區向外移動。

當鼓面向內移動時，撞擊鼓面的空氣分子會以低於正常的能量和速度反彈。片刻之間，鼓面旁邊的區域比正常情況下有更少的空氣分子——它成為一個稀疏區。與這些低速分子碰撞的分子也會以低於正常的速度反彈，稀疏區向外移動。

聲音的速度

聲波的行為

聲音的本質通過其基本特徵來捕捉：波長（波峰之間的距離）、振幅（波的高度，對應於響度）、頻率（每秒通過某一點的波數，與音高相關）、週期（完成一個完整波週期所需的時間）和速度（波在介質中傳播的速度）。這些特性交織在一起，塑造了我們聽到的每個聲音的獨特標誌。

當畫出一個圖形顯示某一點的空氣分子濃度隨著交替的壓縮和稀疏脈衝通過該點的變化時，聲音的波動性變得明顯。單個純音（例如由振動的音叉產生的純音）的圖形將顯示一個正弦波（如圖所示）。曲線顯示濃度的變化。它任意地從某個時間點開始，當濃度正常且壓縮脈衝剛到達時。曲線上每個點與水平軸的距離表示濃度從正常狀態的變化量。

每個壓縮和隨後的稀疏構成一個週期（一個週期也可以從曲線上的任何一點到下一個相應點來測量）。聲音的頻率以每秒的週期數或赫茲（縮寫為Hz）來測量。振幅是空氣分子濃度偏離正常狀態的最大量。

聲音的波長是一個週期內擾動傳播的距離。它與聲音的速度和頻率的關係由公式速度/頻率=波長來表示。這意味著高頻聲音具有短波長，低頻聲音具有長波長。人耳可以檢測到頻率低至20赫茲和高至20,000赫茲的聲音。在室溫靜止的空氣中，這些頻率的聲音波長分別為75英尺（23米）和0.68英寸（1.7厘米）。

強度是擾動傳輸的能量量。它與振幅的平方成正比。強度以每平方厘米瓦特或分貝（dB）來測量。分貝尺度定義如下：10-16瓦特每平方厘米的強度等於0 dB。（以十進制形式寫出來，10-16表示為0.0000000000000001。）每十倍增加瓦特每平方厘米表示增加10 dB。因此，10-15瓦特每平方厘米的強度也可以表示為10 dB，10-4（或0.0001）瓦特每平方厘米的強度為120 dB。

隨著與聲源距離的增加，聲音的強度迅速下降。對於一個均勻向所有方向輻射能量的小聲源來說，強度與距離的平方成反比。也就是說，在距離聲源兩英尺的地方，強度是距離聲源一英尺的四分之一；在三英尺的地方，它只有在一英尺處的九分之一，依此類推。

聲音質量

聲音的本質是通過其基本特徵來捕捉的：波長（波峰之間的距離）、振幅（波的高度，對應於響度）、頻率（每秒通過某一點的波數，與音高相關）、週期（完成一個完整波週期所需的時間）和速度（波在介質中傳播的速度）。這些特性交織在一起，塑造了我們聽到的每個聲音的獨特標誌。

聲音的波動性變得明顯，當繪製一個圖形顯示某一點的空氣分子濃度隨著交替的壓縮和稀疏脈衝通過該點的變化。單個純音的圖形，像由振動音叉產生的那樣，顯示出正弦波。這條曲線顯示了濃度的變化。它任意地從某個時間點開始，當濃度正常且壓縮脈衝剛到達時。曲線上每個點與水平軸的距離表示濃度從正常狀態的變化量。

每個壓縮和隨後的稀疏構成一個週期。聲音的頻率以每秒週期數或赫茲（Hz）來測量。振幅是空氣分子濃度偏離正常狀態的最大量。

聲音的波長是一個週期內擾動傳播的距離。它與聲音的速度和頻率的關係由公式速度/頻率=波長來表示。這意味著高頻聲音具有短波長，低頻聲音具有長波長。人耳可以檢測到頻率低至20赫茲和高至20,000赫茲的聲音。在室溫靜止的空氣中，這些頻率的聲音波長分別為75英尺（23米）和0.68英寸（1.7厘米）。

強度是擾動傳輸的能量量。它與振幅的平方成正比。強度以每平方厘米瓦特或分貝（dB）來測量。分貝尺度定義如下：10-16瓦特每平方厘米的強度等於0 dB。（以十進制形式寫出來，10-16表示為0.0000000000000001。）每十倍增加瓦特每平方厘米表示增加10 dB。因此，10-15瓦特每平方厘米的強度也可以表示為10 dB，10-4（或0.0001）瓦特每平方厘米的強度為120 dB。

隨著與聲源距離的增加，聲音的強度迅速下降。對於一個均勻向所有方向輻射能量的小聲源來說，強度與距離的平方成反比。也就是說，在距離聲源兩英尺的地方，強度是距離聲源一英尺的四分之一；在三英尺的地方，它只有在一英尺處的九分之一，依此類推。

聲音的歷史

關於聲音的最早發現之一是由希臘數學家和哲學家畢達哥拉斯在公元前六世紀做出的。他注意到振動弦的長度與其發出的音調之間的關係——這就是現在所知的弦的第一定律。畢達哥拉斯可能還理解到，聲音的感覺是由振動引起的。不久後，人們認識到這種感覺取決於通過空氣傳播並撞擊耳膜的振動。

約在1640年，法國數學家馬林·梅森進行了第一次實驗來測定空氣中聲音的速度。梅森還被認為發現了弦的第二和第三定律。1660年，英國科學家羅伯特·波義耳演示了聲音傳播需要介質——通過顯示在空氣被抽出來的瓶子裡響鈴聲無法聽到。

德國物理學家恩斯特·克拉德尼在18世紀末和19世紀初對聲音振動進行了廣泛的分析。19世紀初，法國數學家傅里葉發現了由振動弦產生的這種複雜波是由一系列簡單的周期波組成的。

哈佛大學物理學家華萊士·克萊門特·薩賓在19世紀末對聲學的理解做出了重要貢獻。薩賓被要求改善哈佛福格藝術博物館主講堂的聲學。他是第一個測量混響時間的人——他發現講堂的混響時間為5.5秒。首先使用附近劇院的座墊進行實驗，後來使用其他吸音材料和其他方法，薩賓奠定了建築聲學的基礎。他設計了波士頓交響樂廳（1900年開放），這是第一座具有科學配方聲學的建築。

在20世紀後半葉，現代世界，特別是城市地區的噪音水平不斷上升，促使一系列新的研究，主要涉及噪音對人類的生理和心理影響。