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。