聲波

聲波(2張)

聲波是聲音的傳播形式，發出聲音的物體稱為聲源。聲波是一種機械波，由聲源振動產生，聲波傳播的空間就稱為聲場。人耳可以聽到的聲波的頻率一般在20Hz（赫茲）至20kHz之間。 ^[1] 

聲波可以理解為介質偏離平衡態的小擾動的傳播。這個傳播過程只是能量的傳遞過程，而不發生質量的傳遞。如果擾動量比較小，則聲波的傳遞滿足經典的波動方程，是線性波。如果擾動很大，則不滿足線性的聲波方程，會出現波的色散，和激波的產生。

聲音始於空氣質點的振動，如吉他弦、人的聲帶或揚聲器紙盆產生的振動。這些振動一起推動鄰近的空氣分子，而輕微增加空氣壓力。壓力下的空氣分子隨後推動周圍的空氣分子，後者又推動下一組分子，依此類推。高壓區域穿過空氣時，在後面留下低壓區域。當這些壓力波的變化到達人耳時，會振動耳中的神經末梢，我們將這些振動聽為聲音。

表示質點離開平衡位置的距離，反映從波形波峯到波谷的壓力變化，以及波所攜帶的能量的多少。高振幅波形的聲音較大；低振幅波形的聲音較安靜。

描述單一、重複的壓力變化序列。從零壓力，到高壓，再到低壓，最後恢復為零，這一時間的持續視為一個週期。如波峯到下一個波峯，波谷到下一個波谷均為一個週期。

聲波的頻率是指波列中質點在單位時間內振動的次數。以赫茲（Hz）為單位測量，描述每秒週期數。例如，440 Hz 波形每秒有 440 個週期。頻率越高，音樂音調越高。

表示週期中的波形位置，以度為單位測量，共 360º。零度為起點，隨後 90º 為高壓點，180º 為中間點，270º 為低壓點，360º 為終點。相位也可以弧度為單位。弧度是角的國際單位，符號為rad。

由於兩條射線從圓心向圓周射出，形成一個夾角和夾角正對的一段弧。當這段弧長正好等於圓的半徑時，兩條射線的夾角的弧度被定義為1rad。當半徑一定時，圓心角正比於弧長。於是，可以用弧長與半徑的比值表示角度。而弧長與半徑的國際單位都是m，在計算二者之比時要約掉，因此弧度制實質上就是用實數表示角度的單位制，單位rad純粹是為了表述方便人為給出的。因此，在實際求解中符號rad一般直接省略。

表示具有相同相位度的兩個點之間的距離，也是波在一個時間週期內傳播的距離。以英寸或釐米等長度單位測量。波長隨頻率的增加而減少。 ^[2] 

各種聲源發生的頻率千差萬別，使得聲波豐富多彩。例如小鼓的聲波是每秒鐘振動80-2000次，即頻率為80-2000Hz；鋼琴發聲的頻率範圍是27.5-4096Hz；大提琴是40-700Hz；小提琴是300-10000Hz；笛子是300-16000Hz；男低音發聲的頻率範圍是70-3200Hz；男高音為80-4500Hz；女高音是100-6500Hz；人們普通談話的聲波頻率在200-800Hz之間。

許多動物不僅可以發出和接受聲波，而且能夠發出和接受超聲波，有的還可以感受次聲波。

在聲波的頻率範圍內，發聲的頻率決定着音調的高低：頻率高，音調也高，聲音纖細；反之，頻率低，音調也低，聲音雄渾。

聲波在不同的介質中傳播速度顯著不同。現在已經測得空氣中常温常壓下聲波速度是344m/s，淡水中為1430m/s，海水中1500m/s，鋼鐵中5800m/s，鋁中6400m/s，石英玻璃中5370m/s，而在橡膠中僅為30-50m/s。

介質的温度、壓力變化，聲速也隨着改變。通常所指的常温是指20℃時的氣温，當氣温降到零度，聲波在空氣中傳播的速度則將為331.5m/s，而氣温每升高1℃，聲速就增加0.607m/s。

聲音的大小與聲源振動的強弱有關。聲波的連續振動，使空氣分子不斷交替的壓縮和鬆弛，使大氣壓迅速產生起伏，這種氣壓的起伏部分，就稱為聲壓。聲壓大，聲音就強；聲壓小，聲音則弱。音量的大小除了與聲壓有關，還與聲強和聲功率有關。聲強是在聲波傳播的方向上，單位時間內通過單位面積的聲能量；聲功率是聲源在單位時間內輻射出來的總能量。音量與聲強和聲功率均成正比關係。

音量的大小通常以分貝為單位來衡量。人耳剛能聽見的聲強是0分貝，普通談話的聲強是60-70分貝，鑿岩機、球磨機的聲強為120分貝，而使人耳產生疼痛感覺的聲強是120分貝。 ^[1] 

根據聲波頻率的不同，可以分為以下幾類：

頻率低於20Hz的聲波稱為次聲波或超低聲；

頻率20Hz~20kHz的聲波稱為可聞聲；

頻率20kHz~1GHz的聲波稱為超聲波；

頻率大於1GHz的聲波稱為特超聲或微波超聲。 ^[1] 

除了空氣，水、金屬、木頭等彈性介質也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好介質。在真空狀態中因為沒有任何彈性介質，所以聲波就不能傳播了。

聲波的干涉(3張)

在兩個或更多聲波相遇時，它們會彼此相加或減去，相互影響疊加，這種現象稱為波的干涉。如果它們的波峯和波谷完全同相，則互相加強，因此產生的波形的振幅高於任何單個波形的振幅。如果兩個波形的波峯和波谷完全異相，則會相互抵消，導致完全沒有波形。

然而，在大多數情況下，各種聲波會存在不同程度的異相，產生比單個波形更復雜的組合波形。例如，表示音樂、語音、噪聲和其他聲音的複雜波形結合了各種聲音的波形。因為其獨特的物理結構，單個樂器可以產生極複雜的聲波。這就是小提琴和小號即使演奏相同音符但聽起來不同的原因。

一個聲音在傳播過程中將越來越微弱，這就是聲波的衰減。造成聲波衰減的原因有以下三個：

1、幾何衰減

物體振動發出的聲波向四周傳播，聲波能量逐漸擴散開來。能量的擴散使得單位面積上所存在的能量減小，聽到的聲音就變得微弱。幾何衰減也叫作球面擴散衰減。 ^[3] 

2、經典吸收

聲波在固體介質中傳播時，由於介質的粘滯性而造成質點之間的內摩擦，從而使一部分聲能轉變為熱能；同時，由於介質的熱傳導，介質的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，這就是介質的經典吸收現象。 ^[3]  通常認為，吸收衰減與聲波頻率的一次方、頻率的平方成正比。

3、分子弛豫吸收

當聲波通過介質時，會打破介質內部與外部自由度能量之間的平衡狀態，導致內、外自由度能量的重新分配，建立新平衡狀態，這一過程成為弛豫過程。建立平衡的過程是不可逆過程，因而伴隨着熵的增長，導致有規的聲能向無規的熱能轉化，即聲波的弛豫吸收。 ^[3] 

2020年10月，英國科學家在最新一期《科學進展》雜誌中指出，他們發現了聲波迄今最大速度上限：約36千米/秒。 ^[4] 

接收器可記錄到從地下介質傳播而來的聲波，通過分析接收到的聲波走時、相位、振幅等動力學特徵，可以得到介質的物理性質和力學特徵，研究地球的內部物質組成和結構。如建築工程學中的巖體聲波探測技術， ^[5]  油氣勘探中的聲波測井， ^[6]  地球內部分層的研究。

此外超聲波和次聲波由於其特有的性質，還具有其他特殊的用途。

1、超聲波在媒質中傳播時能量很大，引起介質微粒劇烈震動，利用這種現象可以製成各種器具。用超聲波把治療氣喘用的藥液擊碎成很細的霧狀液滴，藥液就更容易進入氣管的深部，療效大大提高。

2、利用超聲波可以把已封裝的罐頭食品消毒，細菌在超聲波的作用下，因經受不起劇烈振動被“肢解”而死。

3、用超聲波處理酒類，能使酒類很快陳華；用超聲波處理剛放上鹽的豬肉，只要一小時，就可獲得釀製15天左右的效果；經過超聲波處理的種子，可提高發芽率，收成也增加。這是由於超聲波傳播時，由於介質的分子振動引起化學反應或改變分子排列，從而改變物質的某些性質。 ^[7] 

1．研究自然次聲的特性和產生機制，預測自然災害性事件。例如颱風和海浪摩擦產生的次聲波，由於它的傳播速度遠快於颱風移動速度，因此，人們利用一種叫“水母耳”的儀器，監測風暴發出的次聲波，即可在風暴到來之前發出警報。利用類似方法，也可預報火山爆發、雷暴等自然災害。

2．通過測定自然或人工產生的次聲在大氣中傳播的特性，可探測某些大規模氣象過程的性質和規律。如沙塵暴、龍捲風及大氣中電磁波的擾動等。

3．通過測定人和其他生物的某些器官發出的微弱次聲的特性，可以瞭解人體或其他生物相應器官的活動情況。例如人們研製出的“次聲波診療儀”可以檢查人體器官工作是否正常。

4．次聲在軍事上的應用，利用次聲的強穿透性製造出能穿透坦克、裝甲車的武器，次聲武器——般只傷害人員，不會造成環境污染。

盛夏來臨，又到了各種驅蚊產品“大顯神通”的時候。驅蚊手機軟件最近成為網上的一大熱門，據説這種軟件能發出不同的驅蚊聲波，趕走叮人的蚊子，有些產品甚至可以利用超聲波來驅蚊，這種宣稱“純天然”“沒有安全隱患”的方法吸引眾人紛紛下載。可是，聲波驅蚊產品真的有效果嗎？這些產品的原理是什麼 ^[8]  ？

據《長沙晚報》報道，雄蚊僅靠花蜜、植物汁液等營養就足夠，不吸血；而雌蚊必須吸取人畜的血液，才能孕育產卵；雄蚊子的翅膀在抖動時會不斷髮出求偶的聲波，但已經受孕的雌蚊因為不想重複受孕，便會竭力迴避雄蚊。驅蚊器就是利用這個原理，模擬雄蚊飛行時震動翅膀所發出聲音的頻率來嚇走雌蚊，達到驅蚊效果。此外，還有另一類聲波驅蚊產品利用的是超聲波。據東方網介紹，蚊子的天敵蝙蝠會發出超聲波，蚊子一聽到就會嚇跑 ^[8]  。

那麼，用軟件模擬雄蚊翅膀震動的聲波或者模仿蚊子天敵發出的超聲波真的能驅蚊嗎？答案是否定的 ^[8]  。

首先，據《揚子晚報》報道，蚊子翅膀震動頻率約在每分鐘250~1000次範圍內，具體頻率與蚊子的種類有關，不同種類的蚊子數值有一定差異。所以即使某一頻段的聲波確實能驅除某種蚊子，也不可能對所有的蚊子有效 ^[8]  。

其次，對於軟件能模擬蚊子天敵所發出的超聲波的説法，華龍網表示，大部分手機驅蚊軟件都無法發出超聲波，完全沒有驅蚊效果，部分軟件還會發出“嗡嗡”聲和閃爍的藍光，以期達到以假亂真的目的，實際只會讓你的手機耗電量增加，驅蚊效果微乎其微 ^[8]  。

這麼看來，用聲波驅蚊軟件來驅蚊確實不靠譜，如果想要達到驅蚊效果，還是建議選擇傳統的驅蚊方式 ^[8]  。