聲波的傳播原理

　　聲音是一種機械波中的縱波，需要介質（固體、液體、氣體）來傳播，透過介質分子間的週期性震動（壓縮和稀疏）形式向外傳遞，其傳播速度受介質密度、彈性模量、溫度等影響，並遵循波動方程（如反射、折射、干涉、繞射），有頻率、波長、振幅等物理特性。

　　介質密度對聲波傳播的影響一般而言，在密度較大的介質中聲波傳播速度較快，但這還需要考慮介質的彈性模量，密度和彈性模量的平衡決定了最終的傳播速度，通常固體介質提供最快的傳播速度，這是因為固體分子排列緊密，彈性模量較大的緣故。以上可歸納於聲速的通用方程式中：

　　溫度亦影響聲音傳播的重要因素，隨著溫度升高，空氣分子運動加劇，聲音的傳播速度也會增加。例如在空氣中，溫度每升高1°C，聲音速度約增加0.6 m/s。

聲波遵循波動方程式的主要方式如下：

• 反射–聲波遇到障礙物反彈，產生回音。
• 折射–聲波從一種介質進入另一種介質時，速度和方向改變。
• 干涉–多個聲波疊加，產生增強或減弱的現象。
• 繞射–聲波繞過障礙物邊緣傳播。
• 散射–聲波在傳播中被不規則介質阻擋而分散。

　　最後，不同頻率的聲波在同一介質中可能表現出不同的傳播特性，除了下方聲速與頻率的關係式外，高頻聲波通常衰減較快，而低頻聲波能傳播得更遠，這是在設計應用時選擇聲波頻率中一個重要的考量因素。

聲速υ = f (頻率)  x λ(波長)

聲波在不同介質間的傳播

　　聲速和聲阻抗緊密相關，聲阻抗是介質的固有特性，為介質中聲壓與粒子速度的比值，類似於電學中的電阻，定義為介質密度ρ乘以聲速υ，即

聲阻抗Z  = ρ(介質密度) x υ(聲速)

　　它代表介質對聲波傳播的阻礙程度，阻抗值越大，阻力越大，聲波在不同介質界面（如空氣與水）傳播時，阻抗差異越大，反射就越強烈。換言之，聲波在不同介質界面發生反射和透射，取決於兩介質聲阻抗的差異，阻抗不匹配程度越大，反射聲波越多，即繼續向前傳播的能量越少。 舉此原理在醫學超聲波診斷的應用為例，超聲波在人體組織中移動，不同組織（如脂肪、肌肉、骨骼）有不同聲阻抗，則界面反射形成回聲，集合各界面回聲再用於成像。

　　欲得最大化聲能傳輸、減少反射和能量損失，確保聲波訊號有效傳遞到目的地，則需進行聲阻匹配，此係指是指調整不同介質或聲學元件間的聲阻抗，讓訊號源阻抗與負載阻抗盡可能接近或相同，常用的解決方案為聲阻抗差異過大之兩介質，加入一個或多個聲阻抗介於兩者之間的材料層，分階段匹配阻抗。

匹配層的最佳聲阻抗並非單一固定值，而是要接近與其連接的兩側介質的聲阻抗平均值（或幾何平均），公式為

　　目標是消除聲波反射，讓聲能最大化傳輸，減少能量損失，例如在醫學診斷之超音波探頭與人體組織、或海洋探測之聲納與水/海底之間。

總的來說，聲阻匹配層是聲學元件設計中的關鍵要素，為達優化聲能傳輸與信號品質之目標，其設計考量包括：

• 聲學需求–處理頻率、噪音類型。
• 材料特性–聲阻、聲速、衰減性、耐溫性。
• 結構設計–單層/多層、厚度。
• 應用環境–頻寬要求、換能器/介質類型、可靠度/耐候性。

聲波傳播的應用

利用聲婆傳播原理，幾種常見的應用如下：

應用	說明
醫學診斷	超聲波診斷是一種利用高頻聲波（通常在2-15 MHz之間）掃描人體內部器官，利用聲波穿透人體後遇到不同密度的組織時會產生反射的原理，並將反射的聲波轉換成影像來輔助診斷的非侵入性檢查技術。 其安全無輻射，即時性高，廣泛用於檢查腹部（肝、膽、腎）、婦產科（子宮、卵巢、胎兒）、心臟、胸腔、肌肉骨骼等多個部位的器官結構與病變，並具備可在其導引下進行侵入性治療，如穿刺切片、引流積液或置放引流管等輔助治療功能。
海洋探測	聲納（Sonar）技術是利用聲波在水中傳播，通過發射聲波並接收物體反射回來的回聲，再根據聲波來回的時間與水中聲速，計算出目標的距離、方位與特性，主要分為主動聲納（發射並接收回聲）與被動聲納（只接收環境聲音），就像蝙蝠利用回聲定位一樣。
探傷(無損)檢測	超聲波探傷原理是利用超聲波在材料中傳播時遇到內部缺陷（如裂紋、氣孔）或不同介質界面時產生反射、折射的現象，通過發射超聲波並分析回波的時間、強度、形狀來判斷缺陷的位置、大小、性質，是一種非破壞性檢測技術，技術核心是通過換能器將電能轉化為超聲波，再將回波轉回電信號進行分析。
流量測定	超聲波流量檢測主要透過測量超聲波訊號在順流與逆流方向傳播的時間差，時間差越大表示流速越快，以此再結合管道截面積得出流量，常被用於非侵入式測量。
建築聲學設計	音樂廳、電影院、錄音室等的聲學設計都需要深度應用聲音傳播原理。核心在於控制聲音的傳播、反射、吸收與隔絕，目標是優化室內音質，達到清晰的語言（高清晰度）、豐富的音樂感（適中混響）並隔絕噪音，讓聲音在特定環境中表現得宜。