聲傳播

聲傳播，物理現象。

壹、聲音的產生與傳播
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一. 聲音的產生
(一)物體的振動 由於物體的振動，才能產生聲音。
我們可以從生活中的體驗來感覺聲源 的振動情形 。
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生活小體驗
(1)說話或唱歌時，手輕按喉頭周圍，感覺聲帶中振動。
類似的經驗如音樂 播放時，手輕摸音箱，感覺振動。
或打響一面鼓，再用手接住鼓面會得 到發麻的感覺。
當感覺消失時，是否還有聲響?
(2)翻修馬路，氣鑽機開動時，除了巨大聲響外，
四周鄰近門窗是否也受震作響。
(3)打開水龍頭，水滴入水面時，發出聲音，也看見水波。
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想想看 為什麼
過年放長串鞭炮時，停在附近裝有防盜器的汽車，為何警鈴聲嘎嘎作響?
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動動手試試看
(1)將振動中的音叉觸及水面，觀察有何現象產生?
若將音叉靠近保利龍珠，則保利龍球會如何?
(2)準備一長三十公分的硬紙筒（用完保潔膜所剩中心部分)。
兩端用汽球 薄膜緊緊封住。
然後在紙筒的一端懸吊一個迴紋針，使其剛剛觸及橡皮膜。
固定紙筒，在紙筒的另一端，以指節輕敵橡皮膜。
觀察迥紋針的反應。
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(二）介質的傳遞
在十八世紀時，科學家們就已經從實驗中，證實了
聲波需要空氣等介質來傳遞的觀念。
如下圖所示 : 裝有小鈴的容器里當"空氣"慢慢被抽掉，則鈴聲漸弱，
沒有了空氣，就不會有任何聲音傳出。
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科學小軟聞
約一千七百年前，義大利的科學家托里切利就提出了
聲音是以空氣為介質來傳遞的觀念。
也曾經想過利用鈴聲無法在真空中傳播的實驗來證明自己所提出的主張，
但是因為當時製造真空狀態的技術不夠成熟，所以無法達成他的心愿。
後來英國的物理學家 波以耳發明了抽氣機，將裝有鈴鐺的容器抽成真空，
重做實驗，而證實了托里切 利所提出的觀念。
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動動手 試試看
利用下列材料 :
單孔橡皮塞一個
圓身鉛筆一支 (鉛筆囗徑必須略大於橡皮塞的洞囗)
圓底燒瓶一個
有底小金屬管一個 (可利用裝唇膏的金屬套管)
小金屬螺帽一個
膠帶一卷
鐵架一個
酒精燈或本生燈一個
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如下圖所示，將鉛筆穿過橡皮塞，再將裝有螺帽的金屬套管用膠帶黏牢在鉛筆上。
暫勿將橡皮塞塞入燒瓶口，先在燒瓶內放入少量的水，
置於鐵架上用酒精燈或本生燈加熱。
等瓶內的水沸騰數分鐘後(注意:勿將瓶內的水完全燒光)，將橡皮塞塞緊瓶口。
待燒瓶冷卻後，瓶內即形成部分真空。
此時把燒瓶移近耳旁搖晃，幾乎聽不到聲音，
但若將塞子弄鬆，使空氣流入瓶內，
則可清楚地聽見螺帽碰擊 金屬管壁的聲音。
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由以上總總的體驗和實驗，我們了解到，
聲音是物質振動產生的波動， 需要靠介質傳播才能聽到。
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二、聲音的傳播
(一）介質種類
1、傳播聲波的介質，可以是固體、液體或氣體。
生活小體驗
(1)趴在桌上，讓耳朵緊貼於桌面，用筆或尺等硬物輕輕敲打桌面，
可以聽到物體撞擊桌面的聲音。 (圖一 )
(2)拿一隻金屬棒，一端頂住鬧鐘，另一端則貼於耳邊，
可聽見"滴答滴答" 的聲音。(圖二 )
(3)夏天在游泳池游泳，閉氣後將頭悶入水中，仍可聽到
池畔岸上人說話的聲音。
(4)若二人同在水中，一人手持二石塊互敲，
另一人也會聽到擊石聲。 (圖三）
(5)醫生為病人看病時，利用聽診器來了解病人心、肺跳動的情形。
(圖 四)
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動動手 試試看
將大鼓及蠟燭裝置如圖五，以鼓槌擊鼓，看看蠟燭的燭焰會有什麼變化?
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科學小軟聞
1．西元 1827年利用下圖的裝置，
實驗證明 :聲音能在水中傳遞，並同時測出聲 音在水中的傳播速度。
2．二艘船同浮於水面，但分隔一段距離，當左船水中鐵槌撞擊鐘面同時，
船上燈 光發亮，右船便開始記錄時間，
經過一段時間後，右船在水而下的喇叭管中的確收到鐘聲傳來的聲波，
證實聲音亦能在水中傳播，並且也可量出其傳聲速度。
2．在空氣中傳播的聲波是縱波，如圖六。
連續振動的音叉，使周圍的空氣分子形成疏密相間的連續波形。
在縱波中，介質分子的振動力向和波前進的方向平行。
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（二）影響聲速的變因
1．聲波在介質中傳遞的速度，稱為聲速( 或音速)。
聲速往往因介質種類、狀態等因素而影響其行進的速度。
例如 :在空氣中傳播的聲速，因空氣的溫度、濕度、密度…等不同而不同。
溫度愈高，聲速愈快。濕度較大時，聲速也較快。
已知在 2O°C，乾燥、無風的空氣中，聲速約為 343公尺/秒，
而在 O°C 時，則為331公尺/秒。
若物體移動的速度，超過當時空氣的傳聲速度時，稱為超音速。
表（一）聲音在不同介質中的速度
( 除了特別標示的溫度外，其餘均在 20°C )
物 質 聲速(公尺/秒)
空氣 ( 乾燥，0°C) 331
空氣 ( 乾燥，20°C) 343
水蒸氣 ( 134°C ) 494
蒸餾水 1486
海水 1519
氫氣 1330
鉛 1190
銅 3810
鋁 5000
鋼 5200
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科學小軟聞
有關聲速的測量，早在西元 1636年 港人 梅爾森 便已量出
在空氣中的傳聲速度為 316 公尺/秒，其間雖經各國不斷測試，
但正確求出在氣體或固體中傳聲速度的方法，
則是1868年德國人孔特發現設計的，此即為著名的“孔特實驗”，
至於現今一般慣用的聲速 ( O°C 的空氣 ) 331公尺/秒，
則是第一次世界大戰期間修訂沿用至今的。
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生活小體驗
你知道聲速有多快嗎?
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想想看 為什麼
1. 遠處發生爆炸時，為什麼先感覺到地面振動，才聽到爆炸聲?
2. 聲速只與介質有關，在同一介質中，聲速與聲音的頻率無關。
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動動手 做做看
二人分別站在池塘二側，同時各自製造頻率不同的周期性水波，
測量對力 水波到達所需的時間。
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(三）反射與與折射
由於聲音在不同介質中，傳播的速度不同，因而產生了聲音的反射與折射現象。
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反射
1．聲波在行進中遇到障礙物，無法穿越而返回原介質的現象，
稱為反射，這種聲波反射現象也稱為回音。
2. 有關聲波的反射現象，早在1882年即被實驗證明(圖九)
右邊搖鈴 (在拋物面的焦點位置）發出的聲波，
將會由左邊的拋物面反射，清楚聽到鈴聲。
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生活小體驗
(1)在空屋內說話，會聽到嗡嗡的聲音，這是人說話產生的聲波，
在室內來回反射互相影響造成的。
(2)露天音樂台的設計，便是讓演奏產生的聲音，
藉由後方牆面（拋物面 )、的反射，集中傳往台前觀眾席。
(3)擴音器的話筒，或利用雙手在嘴邊圍成喇叭狀向遠處喊話，
也都是利用聲音的反射來集中聲音向前傳播。(圖十）
(4)國立台中科學博物館和許多遊樂場也有如圖十一的設施 :
甲、乙二人間小聲談話，站在中間的丙卻聽不到。
下回去參觀時不妨親身試試。
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動動手 做做看
(1)拿一截可彎曲的水管 (圖十二)，一端置於耳旁，閉上眼睛，
他人在另一端開口附近拍手。 聽聽看，覺得擊掌聲來自何方?
(2)用紙餐巾的捲筒，及木板，聽聽看那一個角度聽到的聲音最響? (圖十三)
3．聲音發生反射時，原音與回音間隔相差0．1秒以上時，
人耳方可清楚 分辨出來。
想想看 為什麼
在常溫 (2O°C )下，障礙物與發聲者至少要相距多遠，
才能清楚聽到回音呢? ( 請參考表一 )
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4．如果想要避免回音干擾原音，可利用一些多孔的建材，
例如 : 玻璃纖維，或空心磚等來吸收聲波，使之減少反射。
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動動手 做做看
那一個聽得比較清楚?
想想看 為什麼
高架道路兩側架設的"牆面"有何作用呢?
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折射
若聲音在不同介質中傳遞，因速度不同而使傳播方向發生偏折的現象，稱為折射。
例如 : “夜半鐘聲到客船”。
夜晚時，由於高空附近溫度較高，聲速較快，
使得聲波在行進時，會向下方偏折，
因此位於寒山寺里的鐘聲，才會傳到江面上的客船。 (圖十五)
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動動手做做看
甲、乙二人分別站立在樓上和樓下，甲 手提收錄音機，放出音樂，固定音量，
讓乙來聽，則那一種情形，乙聽得較清楚? 又白天與夜晚的情形會一樣嗎?
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參考答案
二、聲音的傳播
(二)影響聲速的變因
1．[想想看，為什麼)聲音在固體中的傳播速度較空氣中為快。
2．[動動手，做做看)二者時間相同。
(三)反射與折射
反射
2．[動動手 做做看) (1)、(2)答案如圖中虛線部分者。
3．[想想看 為什麼) 2O°C 時，空氣中傳聲速度為343m/s，
因原音與回音相差至少0．1秒方可辨別，
因此二者的路程差至少需34．3公尺，
故障礙物與發聲者至少要相距 17．15 公尺。
4．(動動手 做做看) (1) 聽得較清楚。
[想想看 為什麼)
高架道路兩側"牆面"表面多有小圓洞，內含消音材料，
故可防止汽車高速行駛的聲音反射而影響行車安全，
且可避免聲音外傳干擾二側住家安寧。
折射
(動動手 做做看)
白天時，聲音往上方彎曲，故乙於右圖中位置聽得較清楚，
夜晚時，恰好相反，左圖中位置較清楚。