声学

消音室中的人工全向声源

声学是物理学中波动学的一个领域，研究媒质中机械波，包括声波、超声波和次声波。研究课题包括声波的产生，接收，转换和声波的各种效应。同时声学测量技术是一种重要的测量技术，有着广泛的应用。

历史

中国商代（公元前17～12世纪）的编磬已有很接近自然律的乐律，比毕达哥拉斯利用弦提出自然律的乐律要早一千多年。

基本概念

声音是由物体振动产生的。声音的传播需要介质，它可在气体、液体和固体中传播，但真空不能传声。声音在不同物质中的传播速度也是不同的，一般在固体中传播的速度最快，液体次之，在气体中传播得最慢。并且，在气体中传播的速度还与气体的温度和压强有关。正常情況下，聲速約等於331+0.6*攝氏溫度 m/s，室溫15攝氏度時聲速約340 m/s，常溫（15攝氏度）時聲速約340米/秒。

一般而言，波長越長之聲音可以傳得越遠，但容易因散射而失真。相反地波長短的聲音雖然能量衰減快但不易散射，能夠直線傳遞聲音。

有规律的声音叫乐音，没有规律的声音叫噪音。 响度、音调和音色是决定乐音特征的三个因素。

• 响度。物理学中把人耳能感觉到的声音的强弱称为响度。声音的响度大小一般与声源振动的幅度有关，振动幅度越大，响度越大。分贝（dB）则常用来表示声音的强弱。
• 音调。物理学中把声音的高、低称为音调。声音的音调高低一般与发生体振动快慢有关，物体振动频率越大，音调就越高。
• 音色。音色又叫音品，它反映了声音的品质和特色。不同物体发出的声音，其音色是不同的，因此我们才能分辨不同人讲话的声音、不同乐器演奏的声音等。

另外，有许多声音是正常人的耳朵听不到的。因为声波的频率范围很宽，由10^-4Hz到10¹²Hz，但正常人的耳朵在80分貝（dB）之下只能听到20Hz到20000Hz之间的声音。通常把高于20000Hz的声音称为超声波，低于20Hz的声音称为次声波，在20Hz到20000Hz之间的声音称为可闻声。

一般來說正常人說話時，頻率通常落在150~2000HZ之間。而人耳對於約3000HZ的聲音最為敏感（由於人耳~2.7cm=波長/4）。

而音樂中所謂的音階，每差一個音階其頻率就差了兩倍（中音Do約262HZ，是低音Do之131HZ的兩倍）。在各自音階中每半音頻率會增加2^1/12倍（約1.0595倍）。

声学分支

• 依据研究方法可分为：
  • 物理声学（波动声学）研究声学的最基本问题，包括非线性声学量子声学等方面。
  • 几何声学（射线声学）
  • 统计声学
• 依据研究对象可分为：
  • 电声学
  • 次声学
  • 超声学，应用如超声检测、评价和成像。
  • 噪声学
  • 量子声学，一般情况下，当频率高到10⁹赫以上量子行为即显示出来。
  • 非线性声学，振幅大的声波有非线性现象。
• 依据应用范围：
  • 大气声学
  • 地壳中的声波地震学
  • 水声学研究声在海洋中的传播和应用，如声遥感。
  • 生物声学（医疗声学）
  • 语言声学
  • 心理声学

延伸閱讀

• Mason W.P., Thurston R.N. Physical Acoustics (1981)

• Benade, Arthur H. Fundamentals of Musical Acoustics. New York: Oxford University Press. 1976. OCLC 2270137. 
• M. Crocker (editor), 1994. Encyclopedia of Acoustics (Interscience).
• Farina, Angelo; Tronchin, Lamberto (2004). Advanced techniques for measuring and reproducing spatial sound properties of auditoria. Proc. of International Symposium on Room Acoustics Design and Science (RADS), 11–13 April 2004, Kyoto, Japan. Article
• L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens, and J. V. Sanders, 1999. Fundamentals of Acoustics, fourth edition (Wiley).
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• Falkovich, G. Fluid Mechanics, a short course for physicists. Cambridge University Press. 2011 [2013-12-25]. ISBN 978-1-107-00575-4. （原始内容存档于2012-01-20）. 

参考文献

3.Jian-Jiun Ding, Advanced Digital Signal Processing class note, the Department of Electrical Engineering, National Taiwan University (NTU), Taipei, Taiwan, 2020.

外部連結

• Acoustical Society of America （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Institute of Acoustic in UK （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• National Council of Acoustical Consultants （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Institute of Noise Control Engineers （页面存档备份，存于互联网档案馆）