声学

消音室中的人工全向声源

声学是物理学研究媒质中机械波（包括声波、超声波和次声波）的分支学科。研究课题包括声波的产生，接收，转换和声波的各种效应。声学领域的研究在工程、医学、音乐和海洋勘测等领域有广泛的应用。

基本概念

声音是由物体振动产生的。声音的传播需要介质，它可在气体、液体和固体中传播，但真空不能传声。声音在不同介质中的传播速度存在差异，通常在固体中传播最快，液体次之，气体最慢。在气体中，声速主要受介质温度与压强的影响。

在干燥空气中，声速 $v$ 与摄氏温度 $t^{\circ }{\text{C}}$的近似关系为:

$v\approx (331.3+0.606\cdot t){\text{ m/s}}$

例如，在 $15{\text{ }}^{\circ }{\text{C}}$ 的标准空气中，声速约为 $340{\text{ m/s}}$。

一般而言，波長越長之聲音可以傳得越遠，但容易因散射而失真。相反地波長短的聲音雖然能量衰減快但不易散射，能夠直線傳遞聲音。

在心理声学和语音学中通常使用三个主观心理量来描述人耳对声音的感知特征，它们分别对应着特定的客观物理属性：

• 响度：指人耳能感觉到的声音的强弱程度。声音的响度强弱主要取决与它的客观物理量声压，同时也受到声压频率的影响。分贝（dB）则常用来表示声音的强弱。
• 音高：指人耳对声音高低的主观感知。它取决与声波的客观物理量基频，基频越高，感知到的音高越高
• 音色：指用于区别具有相同频率和响度用以区分不同发声体或语音特征的感知属性。音色主要由声波的频谱结构决定，如谐波的分布与相对幅度。

聲音位準與分貝

在聲學中，聲音的強弱常以分貝（dB）表示。分貝不是單獨描述聲音大小的物理單位，而是表示兩個同類物理量之間的對數比值。在空氣聲學與噪音量測中，常用的是聲壓的均方根值相對於基準聲壓的大小，稱為聲壓位準或聲壓級（sound pressure level, SPL）。

聲壓位準可寫成：

$L_{p}=20\log _{10}\left({p_{\rm {rms}} \over p_{0}}\right)\ {\rm {dB}}$

其中 $p_{\rm {rms}}$ 為均方根聲壓，$p_{0}$ 為基準聲壓。在空氣中，常用的基準聲壓為 $20\,\mu {\rm {Pa}}$。由於聲音強度在相同介質中通常與聲壓振幅的平方成正比，若以聲音強度 $I$ 表示聲波通過單位面積的功率，也可寫成：

$L_{I}=10\log _{10}\left({I \over I_{0}}\right)\ {\rm {dB}}$

其中 $I_{0}$ 為基準聲音強度。因此，聲音強度增加 10 倍時，其分貝值增加 10 dB；聲音強度增加約 2 倍時，其分貝值增加約 3 dB。

頻率感知與臨界頻帶

聲波的頻率範圍很廣，但正常人耳可感知的頻率範圍通常約為 20 Hz 至 20 kHz。低於此範圍的聲波稱為次聲波，高於此範圍者稱為超聲波，在此范围内的声音即为人耳可闻或可听的声波。實際可聽範圍會受到聲壓級、年齡與個體差異影響。

人耳對頻率差異的感知並非單純由線性的頻率差決定，而與頻率比例及耳蝸的頻率分析機制有關。例如，音樂中的八度音對應於頻率加倍；在十二平均律中，相鄰半音的頻率比為 $2^{1/12}$。在心理聲學中，臨界頻帶描述人耳將相近頻率成分視為同一聽覺頻帶處理的現象；同一臨界頻帶內的聲音較容易產生遮蔽效應。巴克刻度即是一種依據臨界頻帶建立的頻率尺度，常用於聲音感知、語音與音訊訊號處理。

此外，人耳對不同頻率的敏感度並不相同。由於外耳道具有近似四分之一波長共振的效果，約數千赫茲附近的聲音常較容易被感知；若以空氣中聲速約 $340\,{\rm {m/s}}$、外耳道長度約數公分估算，其共振頻率量級約落在 3 kHz 附近。這也與語音通訊中重視數百赫茲至數千赫茲頻帶的工程經驗相符。

泛音、諧波與和弦

實際樂器或人聲產生的聲音通常不是單一正弦波，而是具有週期性的複合波形。若一個聲音的基頻為 $f_{0}$，其頻譜中可能同時包含 $2f_{0},3f_{0},4f_{0},\ldots$ 等整數倍頻率成分，這些成分稱為諧波；高於基頻的成分也常稱為泛音。從傅立葉分析的觀點，週期信号可表示為多個正弦或餘弦分量的疊加，因此不同樂器即使演奏相同音高，也會因各諧波的振幅與相位分布不同而具有不同音色。

諧波也可由共振條件說明。以兩端固定的弦為例，弦長為 $L$、波速為 $v$ 時，允許的駐波波長為：

$\lambda _{n}={2L \over n},\quad n=1,2,3,\ldots$

相應的共振頻率為：

$f_{n}={nv \over 2L}=nf_{0}$

因此弦的自然振動頻率形成基頻及其整數倍頻率。多個音同時發聲時，若其基頻比例接近簡單整數比，例如八度的 $2:1$ 或完全五度的 $3:2$，其諧波成分較容易部分重合，這是和聲與和弦在物理聲學上的重要基礎之一。

声学分支

• 依据研究方法可分为：
  • 物理声学（波动声学）研究声学的最基本问题，包括非线性声学量子声学等方面。
  • 几何声学（射线声学）
  • 统计声学
• 依据研究对象可分为：
  • 电声学
  • 次声学
  • 超声学，应用如超声检测、评价和成像。
  • 噪声学
  • 量子声学，一般情况下，当频率高到10⁹赫以上量子行为即显示出来。
  • 非线性声学，振幅大的声波有非线性现象。
• 依据应用范围：
  • 大气声学
  • 地壳中的声波地震学
  • 水声学研究声在海洋中的传播和应用，如声遥感。
  • 生物声学（医疗声学）
  • 语言声学
  • 心理声学

延伸閱讀

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外部連結

• Acoustical Society of America （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Institute of Acoustic in UK （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• National Council of Acoustical Consultants （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Institute of Noise Control Engineers （页面存档备份，存于互联网档案馆）