第三章 聲音
3-1 聲音的產生
<想想看>：於日常生活中，常可聽到很多不同的聲音，那這些聲音 是如何產生的? <作作看>：日常生活中，你曾經做過這些事情嗎? 1.在玩具鼓上面灑些豆子，以小搥輕敲鼓面，則鼓會發出聲，且 可看到豆子會隨鼓面的振動而上下振動。 2.用手將橡皮筋撐開，以另外一隻手的手指撥動橡皮筋，橡皮筋 因為來回振動而發出聲音，當振動停止時，聲音亦隨之消失。 3.輕吹一張紙片，輕吹紙片亦可聽到聲音。 4.於裝有水的臉盆中，以木槌輕敲音叉，音叉可發出嗡嗡的聲音， 若迅速將音叉接觸水面，則可看見水面濺起水花。若用手握住音叉， 使音叉停止振動，則音叉的嗡嗡聲即馬上消失，在將其接觸水面亦 無法看到濺起的水花。 <結論>：由以上活動可知，聲音是由物體的振動而產生的。其他範 例： 1.蚊子藉翅膀的振動，發出擾人的嗡嗡聲。 2.撥動吉他或小提琴的弦，可感覺到弦的振動，亦可聽到聲音。 3.當我們說話時，用手指輕按喉嚨周圍，可感覺聲帶在振動。 <課外補充>： 1.固體、液體、氣體的振動都可能發出聲音。 2.平常人類的耳朵之所以可以聽到聲音，乃是聲音藉由空氣的振 動，傳到耳朵，引起耳膜的振動。 3.並不是只要振動就可聽到聲音，聲音還需要靠某些物質傳播才 行，一般而言，可利用空氣傳播，故在真空中無法聽到聲音。 <想想看>： 1. 你如何使吉他發出聲音? 2. 將你的手指放在喉嚨發聲處，說說話，問手指是否感覺到振 動? 為什麼?3-2 聲音的傳播
<作作看>：由以下之實驗，探討聲音的傳遞特性。 1. 將一鬧鐘置於桌面上，應可聽到滴答聲，若將耳朵貼於桌面， 亦可聽到很清楚的滴答聲，故可知桌子可傳遞聲音。 2. 若改將鬧鐘置於裝有水的水盆中，並將水管一端伸入水中， 耳 朵貼近水管另一端，亦可聽到滴答聲，但聲音較低沈、沈悶；故可知 水亦可傳遞聲音。 3. 小時候有的經驗，想得知火車是否到來，會將耳朵貼於鐵軌 上， 判斷火車是否以來了?故可知鐵軌亦可傳遞聲音。 由以上的實驗結果，可知聲音的傳遞必須有傳遞的物質，聲音才可 傳遞；此傳遞的物質，稱之為介質。若沒有介質則無法傳遞聲音，如 下實驗：裝置如下圖。 取一電鈴置於有抽氣機的鐘罩內，通電後，由於鈴搥敲擊而發出聲 音，但隨著鐘罩內氣體的逐漸抽出，空氣愈來愈稀薄，而聲音亦逐 漸變小，若鐘罩內完全真空後則聽不到任何聲音；在將氣體出入鐘 罩內，則聽到的聲音又逐漸變大，故可知，聲音的傳遞需靠介質， 才可傳遞。 總結，3-1 及 3-2 兩個章節可知， 1. 產生聲音的兩個條件是物質的迅速振動。介質的傳播。 2. 除了空氣外，液體和固體也可作為傳遞聲音的物質。 3. 月球上沒有空氣，所以不能傳遞聲音，但仍可利用無線電波 來傳話。<想想看>： 1.水上芭蕾選手的頭部潛入泳池時，為何仍能隨音樂起舞? 2.為何月球被稱為寂靜的星球? <聲音的傳播速率>：聲音在不同的介質中，其傳播速率亦雖之不同， 一般而言， 傳播速率固體 > 液體 > 氣體。 若物體彈性愈好，愈容易傳聲。 聲音在空氣中的傳播速率，大約是每秒 340 公尺，其換算公式如下： V = 331 + 0.6t V：聲速：公尺 / 秒 t：溫度(0C) 影響聲速的因素： 1.溫度愈高，速度愈高。 2.濕度愈大，速度愈大。 3.順風時，聲速增加；逆風時，風速減少。 室溫時，聲波在各種介質中的傳播速率，如下表： 介 質 聲速(公尺 / 秒) 介 質 聲速(公尺 / 秒) 純 水 1490 松木 3320 海 水 1520 銅 3810 空 氣 343 鋼 5200 玻 璃 5500 鉛 1190 <練習題>： 1. 若今天氣溫是 250C，請問甲、乙兩地距離 1.038 公里，則聲音由 甲地傳至乙地，約需幾秒鐘?
3-3 回聲
當你在環山圍繞的山上，對著山谷喊一聲"我要加油"，過了幾秒， 你可以聽到有人用著相同的語氣對你說"我要加油"，而且不只一聲； 這就是回聲。 <回聲>：聲波如遇到障礙物即被反射回來的現象，稱之為聲波的 反射；經由反射而返回的聲音，就稱之為回聲或回音。例如， 建有高樓所圍著的學校操場，容易聽到聲音。 在山谷或洞穴中喊話，會聽到陣陣的回音。 在空空的大禮堂中，大聲喊話亦可聽到回音；但空曠的教室內， 卻聽不到回音，想想看為什麼? 1.回聲的性質： 聲音傳到物體表面時，有些會被吸收 ，而有些會被反射。所以，聽到的回聲 通常比較小聲。一般而言，質料較硬的 物質，發生回音的效果比較好。 若聲音前進的方向與障礙物垂直， 則逆著原方向反射，如右圖一； 若聲音前進的方向與障礙物不垂直，則反射情形如右圖二。回聲的速率與原聲相同，但傳播時因能量的消耗，所以，音量則 稍微小一點。 2.回聲的應用： 在室內上課時，因為空間比較小，而且聲音(含回聲)的速度又快 (約 340 公尺 / 秒)，因此原聲與回聲重合，故可使聲音比較響亮；擴 音器，傳聲筒、喇叭等樂器的造型，亦是利用聲音反射，加大聲音的 音量，並使聲音傳的更遠。 利用聲波的反射，可探知發音體與遠處物間的距離，如聲納。可探 知深海魚群或潛艇的所在位置。 蝙蝠的盲目飛行，亦是利用聲波的反射，來辨別前方有無障礙物。 利用聲波的反射，可測知海底深度或兩地距離；數學算式如下： S：兩地距離 V：聲速(公尺 / 秒) t：聲音回傳時間 S = V‧(t / 2) <練習>： 1. 某船停泊於懸崖前一段距離，在船上的人於鳴汽笛後經 8 秒，才 聽到回聲，若當時的溫度為 150C，試求船與懸崖的距離? 2. 若氣溫為 150C 而且海水中的傳聲速度為空氣中的 4 倍，則一輪 船 從船底發出一聲音，經 6 秒後收到回音，求海深若干公里? 3. 某生見閃電後，經 8 秒才聽到雷聲，若當時的溫度為 150C，求 雷 鳴處離人多遠? 3.回聲的害處：若發音體與反射障礙物的距離大於 17 公尺，則
回聲較原聲回到原處的時間稍遲，所以，會發生原聲與回聲相混， 故聽起來覺得混雜不清。例如，設計不良的大禮堂或者在操場大聲喊 叫。 4.回聲的消除：設計建築物對聲波的反射面，以改變反射波的方 向，或者減低聲波的反射(利用厚重的布簾，吸收聲音)，以減少回音 的干擾。如， 音樂廳、會議廳利用傾斜的天花板及不對稱的牆，減少回音。 四周牆壁掛上尼絨布幔，可以吸收聲音。 裝吸音板。 <想想看>： 1.日常生活中，並不容易時時刻刻聽到回聲，為什麼? 平常不易聽到回音的主要原因有：我們周遭有太多的吸收聲音的 物質，如窗簾、衣服等等質料較軟的物質，所以不易使聲音產生會生 發音體與反射面必須相距 17 公尺以上，人類的耳朵才可分辨出示 發音體本身所發出的聲音或者是它的回音。 2. 在空的房間裡輕聲說話，會感覺到特別大聲；但是當房間有很 多 雜物時，則不會有如此感覺，為什麼? 3. 為何傳聲筒可將聲音傳至較遠處?
3-4 多變的聲音
在有聲的世界裡，充滿著各種不同的聲音，你可能有以下的經驗： 用力敲大鑼就發出震天巨響；情人的低聲細語卻是浪漫無力。男人的聲音低沈有力而女人的聲音卻是高亢激昂。 鋼琴的琴韻與小喇叭的活潑，你絕不會弄錯；張三和李四的聲音 你也絕對不會搞錯。 綜合以上，可以得知構成聲音的三要素是響度、音調與音品。 1. 響度：指聲音的強弱(大小)，決定於物體的振動幅度(振幅)。 發音體的振福愈大，則聲音愈大。 例如，擊鼓或彈琴時，愈用力，則振福大，所以響度(聲音)愈大。 傳聲介質的密度愈大，則響度(聲音)愈大。 例如，地面上空氣密度大，放鞭炮的聲音大；而高山上的空氣密度 比較小，不易傳聲波，所以高山上不易把聲音傳的很遠。 聲音能量散佈的面積愈大，響度愈小。 例如，同一個聲音，近處聽時聲音大，遠處聽時聲音比較小。 聽診器即是利用聲波沿細管前進，能量比較不易散失，故可以 傳的比較遠。 聲音大小的單位是分貝(dB)；分貝愈大表響度愈大。如下表： 位 置 安靜臥房 安靜鄉村 擁擠游泳池 迪斯可舞廳 飛機起飛 分貝數 30 50 85 110 140 2. 音調：指聲音的高低，決定於物體的振動頻率。 頻率：物體振動時，每秒的振動次數。單位：1 / 秒或赫(Hz)。 發音體振動頻率愈高，則聲音愈高昂；反之，頻率愈小，則聲音 愈低沈。 振動的物體若愈細、愈緊，則振動頻率愈大，聲音的音調愈高亢。 反之，愈粗、愈鬆弛，則振動頻率愈小，聲音的音調愈低沈。例如， 吉他的調音，即是利用此原理。 一般而言，男人聲音的頻率約是 95~142 赫之間，女人聲音的頻率 約是272~558 赫之間，所以，男人聲音的音調較低而女人聲音的音
調較高。 正常人可聽到的聲波頻率約為 20~20000 赫。 3. 音品：指聲音的特色，決定於振動物體的種類；又稱音色。 每一發音體都有它獨特的發音特性，此種特性即稱之為音色。 吾人只需聽到某人的聲音，即可知道是某人在講話；也可判斷各 種樂器的聲音，這些都是由於音色不同的緣故。 例如，當你打電話回家時，聽到家人的回話時，即知是誰接聽你的 電話。 <共鳴>：當你將兩個裝有音箱 的音叉，如右圖。輕敲A 音叉使 其發出聲音一段時間後，然後以 手握住A 音叉使其停止振動，此 時會發現B 音叉雖未敲擊，卻仍 發出聲音，此現象即是共鳴或者 共振。 兩個頻率相同的發音體中，當一個發音體發音時，另一發音體受 其影響亦會自行振動而發音，此種現象稱之為聲音的共振或共鳴。 聲音的共振現象，乃是聲音傳遞能量所引起的物理現象，且能量 較為集中，故共振可增強聲音的響度。 大部份的樂器都有共鳴箱，其作用是藉著共振而使聲音加強。例如 吉他藉弦的振動和音箱內的空氣共振、笛子藉吹入笛子中的空氣和管 內空氣柱共振而發生，而管樂器還可藉著改變空氣柱的長度，而產 生高低音階。 當我們轉動收音機的調盤至某一刻度時，便可收到某一電台的播 音，這是電磁波共振原理的應用。 物體發生共振時，也有害處。例如，地震時，房子的振動頻率若與 地震的頻率接近時，可能因為共振現象，而使得房子易大幅振動而 倒塌。吊橋亦同理。
<超聲(音)波>：先前曾提到正常人可聽到的聲波頻率約為 20~20000 赫，所以，若發音體的振動頻率太高或太低，則無法聽到此發音體 的聲音，而振動頻率超過20000 赫的聲音，即稱之為超聲波。 1. 超聲波的應用： 聲納的應用：漁船與潛艇所使用的超聲波聲納、為盲人服務用的超 聲波眼鏡、蝙蝠飛行時亦會發出超聲波，來判別四周環境。 醫學的應用：用於檢查人體內病痛的位置與範圍、亦可用來觀察母 體內胎兒的成長情形。 超聲波清洗：牙醫師利用超聲波束來除去牙齒上的汙漬和牙石； 而眼鏡、珠寶、首飾，手錶等零件，亦可用超聲波來去除污垢。
3-5 噪音防治
<噪音>：聽了令人感到不舒服的聲音，稱為噪音。 沒有規律的聲音，各種不同頻率和響度聲音的雜亂組合；亦可稱 之為噪音。 或者人們不喜歡的聲音亦可稱之為噪音。 1. 噪音的來源：以對環境危害最大的噪音主要有三種來源： 空氣擾動引起的氣流噪音：由於空氣不規則振動所引起的噪音。 例如，噴氣式飛機、汽機車、空氣壓縮機等等所發的聲音。 固體振動或摩擦所引起的機械性噪音：由於固體互相撞擊、摩擦或 電器運轉時所發出的噪音。 例如，工廠、營建工地內，機械操作運轉的聲音，冷氣機、電冰箱、 中央空調設備運轉的聲音。 聲響不當的人為噪音：因為不良生活習慣或不注意所引起的不特定人為噪音。 例如，寵物叫聲、汽機車防盜器鳴叫聲、婚喪喜慶、民俗活動、學校 等過大的聲音。 2. 噪音的危害：長期處於噪音環境下，對人體可能有下列影響： 聽覺的受損，甚至永久失去聽覺。長期處於高噪音環境下工作，噪 聲性耳聾的發病率可達50%~60%，而致使聽力顯著下降。 對生理的影響：強烈的噪音能使人的交感神經緊張、末梢血管收縮、 干擾消化作用，甚至噁心、嘔吐、頭痛等等。 對心理的影響：噪音使人心情煩躁、反應遲鈍、注意力分散、不易入 睡等等。 3. 噪音的防治：噪音如此嚴重影響我們的生活，因此改善噪音 環 境是當務之急的。 靠政府的法令規範與管制稽查。 民眾要由自身做起，改善不良生活習慣。 居家與娛樂場所要加裝隔音設備。 4. 隔音的方法：為了控制噪音，可利用吸音、消音、隔音、隔振 等方法隔音。 利用吸音材料：如泡沫塑料、吸音磚、毛毯等等。 利用隔音材料：如有空氣的雙層隔音結構。 改變噪音的方向：即所謂的隔音牆，阻擋聲音或將噪音反射向上 而轉移其他方向，或者種樹亦有此效用。 <想想看>： 1. 自己要如何避免製造噪音?
2. 日常生活中，應用了那些降低噪音的方法?
