甚麼是聲波 ?

  • 人類聽覺能察覺的波動，稱之為聲音，此時之聲波稱為可聽波。聲音的頻率一般會以赫茲(Hz)表示，指每秒鐘週期性震動的次數。一般而言，人耳可聽到的聲波頻率範圍大約為20赫茲(Hz)~20千赫茲(kHz)，超過人耳的可聽範圍稱之為超音波 (>20 kHz)。而所謂超音波，其物理性質與可聽波相同，只能透過介質傳播，例如氣體或液體或固體；因此，聲波與超音波均無法在真空中傳播。
  • 聲波是一種縱波(疏密波)，如下圖所示：
  • 縱波是指介質(氣體/液體/固體)粒子震動方向與波的前進方向相互平行的一種波。
  • 聲波行進過程中，介質粒子只會在原地作前後震動，不會隨波前進，且在粒子相對密集處(波峰)，聲壓會較大，在粒子相對稀疏處(波谷)，聲壓會較小。
  • 聲波在不同介質中的傳播速度是不一樣的。在固體中原子的排列較緊密，其聲波能量的傳遞也相對較快，所以聲波在固體中的傳播速度大於聲波在液體及氣體中的傳播速度。聲速的表示方式如下：

C(聲速)=f(頻率) x λ(波長)

下表是聲波於不同介質內的聲速：

聲波為什麼會衰減(Attenuation)，是什麼讓它衰減的呢？

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

(A)擴散衰減：

聲波向四周傳播時，其能量會逐漸擴散開來。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。

(B)吸收衰減：

聲波在介質中傳播時，由於介質的粘滯性造成質點之間的內摩擦，從而使一部分聲能轉變為熱能，導致聲能減小，聽到的聲音就變得微弱。

(C)散射衰減：

當介質中存在顆粒狀結構(如液體中的懸浮粒子、氣泡，固體中的顆粒狀結構、缺陷、攙雜物等)，導致聲波的衰減稱散射衰減。

最終聲波的總衰減量=(A)+(B)+(C)

  • 頻率越高，越容易衰減(衰減常數越大)。
  • 一般來說，衰減常數的大小為 固體 < 液體 < 氣體

甚麼是分貝 (dB) ?

  • 分貝 (dB) 是度量聲音大小的一種常見單位。
  • 一個正常年輕人的聽覺，從可聽到的最小聲音 (如3米外一隻蚊子在飛)，到會造成聽力受損的巨大聲響 (如輪船引擎室內的聲響)，其聲壓數值的大小會相差達1百萬倍。
  • 上述聲壓數值的巨大級數差異會讓我們在使用上很不方便，因此有了分貝 (dB) 的定義。
  • 其中“參考聲壓值”為正常人可聽到聲音的最小聲壓值 20 uPa.
  • 經過聲壓級dB的轉換，上述相差一百萬倍的巨大差異，就會變成0 dB~120 dB的範圍，在使用上會較為方便。

聲音三要素

聲音的特性可由三個要素來描述，即音色、音調和響度。

(1) 音色 (Timbre) → 由聲音的波型 (Waveform) 來決定。

音色與聲波的振動波形有關，或者說與聲音的頻譜結構有關。我們之所以能分辨出這是小提琴的聲音，那是長笛的聲音，就是因為其波型(如下圖所示)不同的緣故

(2) 音調 (Pitch) → 由頻率 (Frequency) 來決定。

音調主要與聲波的頻率有關。聲波的頻率越高(音調越高)，我們聽起來的聲音就越高音。相反的，頻率越低(音調越低)，我們聽到的聲音就越低沉。

(3) 音量/響度 (Loudness) → 由振幅 (Amplitude) 來決定。
響度和聲波振動的幅度有關。一般說來，聲波振動幅度越大則響度也越大(聽起來就越大聲)。

聲波的基本參數

  • 聲壓 (Sound Pressure)。
    • 是指聲波通過介質時，由振動所產生的壓力改變量，用符號P表示，單位為N/m2(Pa)。
    • 聲壓位準SPL (Sound Pressure Level(LP))或稱聲壓級，是聲音的實際聲壓與參考聲壓之比，取以10為底的對數，再乘以20，單位為分貝(dB)。
  • 聲強 (Sound Intensity)。
    • 是指某單位時間內，在某點通過與某方向垂直的單位面積的聲能平均值，用符號 I 表示，單位為W/m2。
    • 聲強位準 (Sound Intensity Level(LI)) 或稱聲強級，是聲音的實際聲強 I 與參考聲強之比，取以10為底的對數，再乘以10，單位為分貝 (dB)。
  • 聲功率 (Sound Power)。
    • 聲源在單位時間內發射出的總聲能量，單位是瓦 (W)。
    • 聲功率位準 (Sound Power Level(LW)) 或稱聲功率級，是聲音的實際功率W 與參考功率之比，取以10為底的對數，再乘以10，單位為分貝(dB)。

其中的參考值定義如下 ：

P0： (20×10-6 N/m2)à正常人可聽到聲音的最小聲壓值。

I0： 10-12 (W/m2)

W0 ： 10-12 (W)

聲強與聲壓與距離可用下列公式轉換計算

其中I：聲強，P：聲壓，ρ：介質密度，C：聲速，r：與聲源的距離

根據以上公式，就可推算出下列結果：

  • 當距離加倍，其聲音強度位準減少6dB， 壓力位準SPL減少6dB。
  • 聲音強度減少1半時， 聲壓位準SPL減少 3dB。
  • 聲壓減少1半時， 聲壓位準SPL減少6dB。