? ? ? 聲音是什么，它是如何產生的，如何改變和分析聲音？本文將介紹聲音的基本特征，并看看一些典型的聲波及頻譜。這里需要用到一些數學知識，但我希望主要的思想可以使讀者不需要花太多時間便可理解。

聲波基本參量

1：頻率，每秒鐘振動的次數，單位Hz(赫茲）頻率高的聲音稱為高音，頻率低的聲音稱為低音；人耳對聲波頻率的主觀感覺范圍為20Hz~20kHz；低于20Hz為次聲波，高于20kHz為超聲波。

2：波長，在傳播途徑上，兩相鄰同相位質點距離。單位m(米)。聲波完成一次振動所走的距離。

3：聲速，聲波在某一介質中1秒鐘傳播的距離。單位m/s。（聲速受溫度的影響）

什么是聲音

1. 靜壓

? ? ? 我身邊的一切，我坐的椅子，我呼吸的空氣，以及我喝的伏特加馬提尼雞尾酒，所有的都是由稱為原子的微小粒子組成的。這些原子被特別地組成為一個較大組合叫做分子。例如，在我喝的酒里，用來稀釋酒精的水，就是由百億以上的分子組成，其中每一個分子由兩個氫原子和一個氧原子構成。分子和原子在氣體和液體中可以自由地移動，因為它們之間的粘連很微弱。與此相反，在固體中的分子和原子聯系緊密，以產生致密的結構；我的椅子（它是由固體組成的）中的分子是相當密集的，而在空氣中（其由氣體組成的），這些分子間隔相對較遠。

? ? ? 空氣中的分子不斷地移動，數百億空氣分子持續碰撞，從而在任何一個與空氣接觸的物質上形成一個靜態壓強。壓強取決于空氣的密度（每單位體積中分子越多，分子碰撞物體的次數越多，產生的壓強也就越大）和空氣的溫度（溫度越高，空氣中分子移動得越快，它們彼此碰撞越多，產生的壓強越大）。由于地球萬有引力的原因，靠近地球表面的空氣分子被擠壓在一起，造成每平方米十萬牛頓的壓強（牛頓/平方），也就是大氣壓強。牛頓是一個力單位（一個質量為100g的物體，如一個小蘋果，大約為1牛頓）。一平方米是一個面積單位，那么壓強則是代表每單位面積上測得的壓力。因此，對于一個恒定的力，面積越大，壓強越小。

2. 壓強變化

? ? ? 如果空氣被一個物體（聲源）的運動或振動所干擾，則空氣密度將會不斷變化。當振動物體向外移，將附近的空氣分子推開，并擠壓在一起，導致密度和壓強略有增加，形成密部；當振動物體向內移動，空氣分子散播開來填充空出的空間，產生密度和壓強略有下降的疏部，這些壓強變化被稱為聲波。

? ? ? 聲波由交替的密部和疏部組成，我們通常經歷的壓強變化是非常小的（通常少于大氣壓的0.01％）。聲源產生的壓強變化在空氣中傳播的方式，大致與在一個池塘里投入石頭產生的水波的方式相似。然而，也有一些重要的差異。聲波能在三維空間內向所有方向傳播，然而水波在平靜的水面傳播時，僅是在二維空間里。另外，在水波中，分子向上和向下振蕩做圓周運動；而聲波是縱波，聲波的粒子（例如，在空氣中的分子）沿著波運動的方向向前和向后振蕩。

? ? ? 可以這樣試想一下，空氣好像一條被彈簧連接起來的高爾夫球鏈（這個比喻由霍華德和安格斯于2001年提出）。如果最左端的高爾夫球從左邊被推到右邊，則彈簧將被壓縮（密部），從而導致旁邊的高爾夫球移動到右邊，然后將導致下一彈簧被壓縮，接著使旁邊的高爾夫球右移……如此，沿著這條鏈傳遍所有高爾夫球。同樣，如果將最左端的高爾夫球向左拉，彈簧將被拉伸（疏部）導致下個高爾夫球移動到左側，使下一個彈簧被拉伸，以此類推。根據這一模式，如果一個高爾夫球從一邊向另一邊移動，然后其振動方式將沿著整條鏈傳播，如圖

? ? ? 一個外力干擾沿著由彈簧連接的高爾夫球鏈傳播的示意圖，從上到下展示了七個連續的時間段

? ? ? 實質上，這就是聲波如何通過介質傳播的。在空氣中，空氣分子之間沒有像彈簧一樣的連接，但是大量的分子相互碰撞和傳遞動量的效果，可以以這種方式來表示。用過自行車打氣筒的人都知道，堵住噴嘴運動活塞時，會明顯感覺到壓縮之后的空氣有外彈的作用力。

? ? ? 舉一個更為具體的例子，揚聲器可將電勢的變化轉換成聲波。揚聲器對空氣進行推拉，產生交替的密部（揚聲器紙盆向外移動所產生的高壓）和疏部（揚聲器紙盆向內移動產生低壓）。圖2所示的是工作狀態的揚聲器在空管中的情況。陰影處表示的高壓區域，明亮處表示低壓區域。按壓力變化的順序排列，從揚聲器首次開始移動起（頂圖）到完成了近兩個周期的時刻（底圖）。重新用水作為比喻，你可以想象一下在一個方形敞口魚缸里上下移動你的手，同樣會產生類似的波動。在這種情況下，在下圖的陰影處代表高水位，并且明亮處表示低水位。

? ? ? 如圖 一組揚聲器在空管內產生的聲波的示意圖，陰影處表示高壓（密部）；明亮處表示低壓（疏部）。下圖是管內壓強隨揚聲器位移變化而變化的一個函數曲線圖。橫線代表大氣壓強。

3. 聲音的速度

? ? ? 聲波在空氣中是以一定的速度傳播的。雖然該值取決于空氣的密度和溫度，在常壓下的聲速是約330米每秒（米/秒）也就是740英里每小時，或者1馬赫。與6.7億英里時速的光速相比，聲波傳播速度真是慢成了渣渣。聲音在空氣中的慢速行程在大型演唱會上會導致這樣的郁悶情景：由于聲波傳播延遲，前排的粉絲的拍手和后排粉絲的拍手完全不在一個節奏上。

? ? ? 聲波在最重要的介質——空氣中的傳播。然而，理論上聲波也可以在其它物質中傳播。在某一定點施加一點壓力變化將引起這個壓力變化以一定的速度傳播，這個速度取決于該物質的密度和硬度（想想之前說的高爾夫球和彈簧）。物質的密度越大，速度越慢，因為過重的物體需要更長的時間來加速。物質的硬度越大，速度越快，因為對于一個特定的位移，彈簧越硬，產生的彈力和加速度就越大。例如，聲音穿過鋼鐵（非常硬）的速度為5200米/秒，而聲音穿過硫化橡膠（密而不硬）僅為54米/秒。我們對于水中產生的聲音了解得比較多，它被許多海洋哺乳動物用來交流，在水下也可以通過回聲（聲納）來識別物體。雖然水比空氣密度大一些，這可能會使水中的聲速較慢，不過水比空氣硬度大多了，所以總體來說聲音在水中的傳播比在空氣中更快，約1500米/秒。