聲波

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2kHz之間。

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，反映從波形波峰到波谷的壓力變化，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周期。如波峰到下一個波峰，波谷到下一個波谷均為一個周期。

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，描述每秒周期數。例如，1000 Hz 波形每秒有 1000 個周期。頻率越高，音樂音調越高。

表示周期中的波形位置，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，也是波在一個時間周期內傳播的距離。以英寸或厘米等長度單位測量。波長隨頻率的增加而減少。

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500-2000Hz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，發聲的頻率決定著音調的高低：頻率高，音調也高，聲音尖銳；反之，頻率低，音調也低，聲音低沉。

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溫常壓下聲波速度是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。

介質的溫度、壓力變化，聲速也隨著改變。通常所指的常溫是指20℃時的氣溫，當氣溫降到零度，聲波在空氣中傳播的速度則將為331.5m/s，而氣溫每升高1℃，聲速就增加0.607m/s。

每一種聲音都有各自的基本波形，稱為基波。不同聲音的基波中混入的諧波有多有少，導致音質變化多端，也就是音色的不同。基波中混入的諧波越多，也就是泛音越多，聽起來就更悅耳。高頻的泛音多，聲音則變得沉重、莊嚴、厚實。

聲音的大小與生源振動的強弱有關。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。

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。

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。

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。如果它們的波峰和波谷完全同相，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。如果兩個波形的波峰和波谷完全異相，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，產生比單個波形更複雜的組合波形。例如，表示音樂、語音、雜訊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。

2、經徠典吸收

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。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，因而伴隨著熵的增長，導致有規的聲能向無規的熱能轉化，即聲波的弛豫吸收。

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。

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。如建築工程學中的岩體聲波探測技術，油氣勘探中的聲波測井，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。

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，可以了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。