物理科溫習筆記：聲波
各位同學，大家好！準備好一同探索奇妙的聲音世界了嗎？從你最愛的音樂，到蚊子煩人的嗡嗡聲，聲音無處不在。在這份筆記中，我們會仔細拆解聲音的本質、傳播方式，以及如何描述它。我們甚至會看看音樂和噪音之間有甚麼分別。如果覺得波浪的概念有點複雜，別擔心──我們會用簡單的例子，讓一切變得一清二楚。現在就讓我們深入研究吧！
1. 聲音的本質
甚麼是聲波？
歸根究柢，聲音就是一種振動。當你撥動結他弦時，它會振動。當你說話時，你的聲帶會振動。這些振動會透過介質（例如空氣）傳播到我們的耳朵。以下是幾個必須記住的重點：
- 聲音需要介質：聲波必須透過某種物質傳播，例如固體、液體或氣體。它們不能在真空（沒有物質的空間）中傳播。這就是為甚麼在太空裡，你發出尖叫聲也沒人聽得到！
- 聲音是縱波：這是一個非常重要的術語！它代表介質的粒子振動方向與波的能量傳播方向平行。
類比：彈弓（Slinky Spring）
想像一下，你推拉彈弓的一端，你會看到一波波被擠壓的部分和拉伸的部分沿著彈弓移動。彈弓本身的各個部分只是來回移動，並沒有沿著彈弓的整個長度移動。聲音的原理就是這樣！
- 被擠壓的部分稱為密部（高壓區域）。
- 被拉伸的部分稱為疏部（低壓區域）。
聲波是一系列密部和疏部的傳播。
快速比較：聲波與光波
將聲音與光作比較會很有幫助，光是我們日常生活中遇到的另一種波。它們之間有一些主要差異：
- 波的類型：
聲波：縱波（振動方向與波的傳播方向平行）。
光波：橫波（振動方向與波的傳播方向垂直）。 - 需要介質嗎？：
聲波：需要，它需要固體、液體或氣體。
光波：不需要，它可以在真空中傳播。 - 速度（在空氣中）：
聲波：約 340 m/s（相對較慢）。這就是為甚麼你先看到閃電，後聽到雷聲。
光波：約 300,000,000 m/s（快得驚人！）。
重點提示
聲音是一種縱波，透過介質中粒子的振動來傳遞能量。它不能在真空中傳播，而且比光慢得多。
2. 聲波的特性
由於聲音是一種波，它會展現所有典型的波行為。你其實在日常生活中已經見過這些現象了！
聲音的行為
-
反射：當聲波從表面反彈時，這就是反射。聲音的反射稱為回聲。堅硬、平滑的表面，例如牆壁和懸崖，都很擅長反射聲音。
例子：對著峽谷大喊，過一會兒聽到自己的聲音傳回來。 -
折射：這是聲波從一種介質進入另一種介質時，或當環境條件（例如溫度）改變時發生的彎曲現象。
例子：在寒冷的夜晚，聲音在湖面上傳播得更遠，因為聲波在靠近水面的較冷空氣中向下彎曲。 -
繞射：這是指聲波能夠繞過障礙物並穿過開口傳播的能力。這就是為甚麼聲音可以「轉彎」。
例子：即使你看不到另一個房間裡的人，你也能聽到他們說話，因為聲波會繞射穿過門口。 -
干涉：當兩道聲波相遇時，它們可以結合。
- 相長干涉：波疊加起來，產生更大的聲音。
- 相消干涉：波相互抵消，產生一個較安靜的地方（甚至完全靜音！）。這就是降噪耳機的原理。
重點提示
聲音和其他波一樣，會展現出各種行為。它會反射（回聲）、折射（彎曲）、繞射（繞過彎角傳播），以及干涉（與其他聲波結合）。
3. 描述聲音：音調、響度與音品
當我們聽音樂或任何聲音時，我們的大腦會注意到不同的特徵。在物理學中，我們有精確的術語來描述這些特徵。
音調：高音還是低音？
音調與波的頻率（每秒振動的次數）直接相關。
- 高頻率 = 高音調（例如：鳥的鳴叫聲、哨子聲）
- 低頻率 = 低音調（例如：低沉的聲音、低音鼓）
頻率的單位是赫茲 (Hz)。每秒一次振動就是 1 Hz。
響度：聲音有多強？
響度與波的振幅（振動粒子從平衡位置的最大位移）直接相關。
- 大振幅 = 響亮的聲音
- 小振幅 = 微弱的聲音
常見錯誤警示！
千萬不要混淆音調和響度！一個聲音可以既是高音調又很輕柔（輕聲細語），也可以是低音調但很響亮（轟鳴的鼓聲）。頻率決定音調，振幅決定響度。它們是獨立的特性。
音品（或音色）：為甚麼樂器聲音不同？
音品（或音色）是讓我們能夠區分兩件不同樂器在相同響度下演奏同一個音符的特性。鋼琴和小提琴演奏「中央C」時，它們的基頻（音調）和振幅（響度）相同，但聽起來卻完全不同。這是因為大多數聲音並非純粹的單頻音，而是主頻率和其他稱為泛音的更高頻率的複雜組合。這些泛音的獨特組合賦予了樂器其特定的音品。
重點提示
我們用三個術語來描述聲音：音調（由頻率決定）、響度（由振幅決定），以及音品／音色（由聲波的複雜性決定）。
4. 聽覺範圍與超聲波
我們能聽到甚麼？
人類並非能聽到所有頻率的聲音。一個健康的年輕人，其典型的可聽頻率範圍是從 20 赫茲到 20,000 赫茲（或 20 千赫茲）。這個範圍會隨著年齡增長而縮小，尤其是在較高頻率的範圍。
超越聽覺：超聲波
頻率高於 20,000 赫茲的聲音稱為超聲波。它音調太高，人類耳朵無法偵測到，但許多動物卻能聽到並使用它！
超聲波的實際應用：
- 醫學造影：用於安全地生成體內器官和未出生嬰兒的影像。
- 動物溝通與導航：蝙蝠和海豚利用超聲波進行回聲定位——牠們發出高頻率的吱吱聲，並聆聽回聲來「看」清周圍環境和尋找獵物。
你知道嗎？
狗能聽到高達 45,000 赫茲的頻率，這就是為甚麼牠們能聽到人類完全聽不到的特殊狗哨聲！
重點提示
人類的聽覺範圍約為 20 赫茲到 20,000 赫茲。超出此範圍的聲音稱為超聲波，在醫學和自然界中都有重要的應用。
5. 噪音與聲級
甚麼是噪音？
在日常用語中，噪音簡而言之就是任何被認為是多餘、不悅耳或擾人的聲音。從物理學的角度來看，噪音通常是波形不規則且不重複的聲音，與樂音規律、週期性的波形不同。
測量響度：分貝 (dB) 標度
雖然振幅告訴我們聲音是響亮還是輕微，但我們使用一種特殊的標度來測量聲強度級，這種測量方式與人類聽覺相關。這個單位就是分貝 (dB)。
分貝標度是一種對數標度。這意味著分貝的微小增加，就代表著聲強度的巨大增加。例如，70 分貝的聲音比 60 分貝的聲音強度大 10 倍！
以下是一些典型的聲級：
- 0 dB：人類能聽到的最微弱聲音。
- 60 dB：正常談話聲。
- 85 dB：長期暴露於此聲級可開始導致永久性聽力受損。
- 100 dB：嘈雜的工廠或搖滾音樂會。
- 120 dB：痛閾；附近的噴射發動機聲。
噪音污染與聲學保護
噪音污染是指環境中存在過量且有害的噪音。它可能對健康造成嚴重的影響，包括：
- 永久性聽力損失
- 壓力和焦慮
- 睡眠障礙
保護我們的聽力至關重要。這稱為聲學保護。如果你身處非常嘈雜的環境（例如使用電動工具、在建築工地工作，或參加響亮的音樂會），你應始終使用諸如耳塞或耳罩等保護裝置，以降低到達耳朵的聲級。
重點提示
聲級以分貝 (dB) 為單位測量。長期暴露於85 dB 以上的聲級可導致聽力受損。噪音污染是一個嚴重的問題，我們在嘈雜的環境中必須使用聲學保護。