機械波的傳播速度由什麼決定（聲音的物理原理）

2023-09-23 03:15:55

經過了解振動、簡諧運動和波的性質之後，這篇文章我們介紹聲波的一些物理學知識：

聲音其實就是這三樣東西：機械波，縱波和壓力波。

在我之前的一篇文章中，我們討論過波是一種擾動，它通過介質將能量從一個點傳輸到另一個點。介質是一系列相互聯繫、相互作用的粒子，由於聲音的傳播需要粒子與粒子之間的相互作用，所以聲音被定義為機械波。

聲音的傳播需要粒子與粒子之間的相互作用，因此，聲音是一種機械波。

音叉

還記得我們上學時候體檢嗎？音叉是我們最熟悉的東西，也是產生聲波最簡單、最直接的方法！那麼音叉是怎樣發出聲音的？音叉通過前端的來回振動，擾亂空氣分子，幹擾會隨即傳遞給相鄰的空氣分子，就產生了典型的機械波，這時體檢老師把音叉放在你一側的耳朵旁，振動的空氣分子被子你的耳朵捕捉到，恭喜你，你通過了聽力測試！

我們需要知道，機械波與電磁波不同，機械波不能在真空中傳播。

縱波

上篇文章我們說了橫波，下面我們就來說說縱波。聲波就是一種典型的縱波，橫波的傳播方向垂直于振動粒子，而縱波與振動粒子的傳播方向相同。如果你有一根彈簧，要產生橫波必須拿著彈簧的一段上下移動，要產生縱波就需要拿著彈簧的一端前後移動。下圖：

縱波

如果這時你又波動了一根琴弦，像彈簧中同樣的事情也發生在振動的弦上。當一個振動的弦向前移動時，它會推動空氣分子向前移動，前方的空氣分子瞬間被壓縮，這就形成了一個高密度、高壓區域，高密度區域的空氣分子會繼續推動更前方的空氣分子。當振動的弦向後移動時，弦前方的空氣壓力會瞬間降低，形成一個低密度區域，周圍的空氣分子會立刻補充進來，琴弦往復運動，縱波就產生了。我們需要知道的是，琴弦的振動發生是雙向的，琴弦的前後振動都能發出聲音，上面只描述了一種情況。

我們聽到的聲音是空氣粒子運動的結果。壓力波

聲音是一種壓力波，壓力波與粒子的密度有關。壓縮和膨脹是介質中運動的高壓和低壓區域。高壓對應壓縮和正振幅，低壓對應膨脹和負振幅，如下圖所示：

如果我們能看到無數的空氣粒子在運動，產生壓縮區和膨脹區，我們就會看到下面這張圖片所展示的球形波。

球形壓力波

頻率、音調和聽覺

我們已經對聲波下了定義。聲波和其他波一樣也具有周期，頻率，振幅和傳播速度這些物理量。

當波穿過介質時，介質中的粒子振動的頻率就是波的頻率。表示為每單位時間內介質粒子的完成往復振動的次數，以赫茲（Hz）為單位。

介質中的每一個粒子具有相同的頻率振動。

波的周期是一個粒子在介質上完成一個完整振動循環所需要的時間，在聲波中，我們可以把周期看成是連續高壓點之間的時間或者連續低壓點之間的時間。由於周期和頻率是相互關聯的，所以高頻聲波周期小，低頻聲波周期大，如圖所示：

人的耳朵能夠探測到大約20赫茲到2萬赫茲的聲波。我們把低於這個範圍的聲音稱為次聲波，而高於這個範圍的聲波稱為超聲波。我們知道許多動物的聽力範圍比我們人類的更廣，狗狗能聽到頻率高達45000赫茲的聲波，蝙蝠能聽到高達12萬赫茲的聲波，海豚能聽到高達20萬赫茲的聲波，令人吃驚的是，大象能聽到低至5赫茲的聲波。

在音樂中人們所說的音高是指聲音的頻率，高頻具有高音調，低頻具有低音調。音樂中有與頻率比率有關的音程，頻率比為2:1的聲音被稱為八度音，5:4的聲音稱為三度音，4:3的聲音稱為四度音，3:2的聲音稱為五度音。

任何音符都有一個獨特的頻率，任何物體都有一個可以振動的固有頻率。音樂家使用的樂器能夠以特定的頻率振動。

聲音強度的分貝標度

聲音的強度和分貝之間的關係就和距離跟米一樣，一個用來度量和表示另一個。

測量聲音強度的尺度是分貝標度

要了解聲波的強度，我們必須提到振幅。為什麼是振幅呢?

想像一下，你用不同的力量去波動吉他弦。具有較高振幅的振動將賦予介質更多的能量，這樣空氣粒子將移動到更遠的距離。聲波強度公式為：

強度=能量/(時間×面積)

強度是指每單位時間內通過介質的某一特定區域所傳輸能量的量，我們用瓦特/米^2來表示。強度隨離振源距離的增大而減小。根據你所站的位置和你的聽力的好壞，你會說吉他聲音太小的，太大或正合適，所以說聲音的強度是非常主觀的的一個說法，人的健康和年齡對識別不同頻率和分貝的能力有很大的影響。

聽覺閾值(TOH)是人類耳朵能探測到的最微弱的聲音。

聽力閾值一般為10^-12 W/m²或0分貝。分貝是對數標度(以10的冪為基礎)，用它來表示聲功率級。

聲速

我們之前說過頻率是每單位時間內單個粒子振動的次數，因此頻率與距離無關，也與速度無關。因為速度的定義是每單位時間內移動的距離。

聲波的速度取決於介質的性質。聲速在固體材料中傳播的較快，在液體或氣體中較慢。這是因為材料的密度和彈性特性的不同。

固體材料之間粒子的相互作用最強，其次是液體，然後是氣體。介質的這種性質叫做彈性性質，它是影響聲速的因素之一。

彈性性能決定了材料在外力作用下保持其形狀而不變形的能力。

密度是影響聲速的另一個重要的因素。如果介質密度越大，聲音傳播的速度就越快。但是彈性特性比密度對聲速有更大的影響。

再看一遍上面的表格，你會發現似乎有不對的地方。我剛才說過聲音在密度更大的材料中傳播得更快。20°C的冷空氣比40°C的冷空氣密度更大，然而，聲音在40°C時卻傳播得更快。你能想到為什麼嗎？

因為氣體溫度的升高使分子運動速度加快，這就解釋了聲速的增加。彈性和密度對聲速的影響通常用牛頓-拉普拉斯方程來表示，該方程表示聲速與介質體積模量和其密度之比的平方根成正比。

聲波也和其他波一樣，通過頻率和周期也可以計算出波速：v = f ×λ

關於聲波的物理學就介紹到這裡，這篇文章是上兩篇文章的延續，有興趣的朋友可以回看下：一口氣了解︱波的物理學，以及橫波的基本原理、描述和波動方程

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