聲音的性質
基礎聲音是縱波，靠介質粒子的疏密振動傳播，真空不傳聲，空氣中聲速約每秒 340 米。響度取決於振幅、音調取決於頻率、音色取決於波形；回聲測距與超聲波聲吶把波的公式變成量距離的工具。
- 聲音是縱波，靠密部與疏部傳播；傳聲必須有介質，真空不傳聲
- 空氣中聲速約 340 m s⁻¹；固體中最快、氣體中最慢，溫度升高聲速略增
- 響度看振幅，音調看頻率，音色看波形；可聞範圍約 20 Hz 至 20 kHz
文體小知識：科學知識說明文——以縱波的角度重新認識聲音：傳播需要介質、空氣聲速約每秒 340 米，響度、音調與音色對應振幅、頻率與波形，並介紹回聲測距、超聲波與噪音分貝。
§課文原文 Passage
1撥動音叉，叉股來回振動，反覆推壓附近的空氣：壓縮處成密部，張開處成疏部，疏密相間的擾動以波的形式向外傳播，進入耳朵令鼓膜振動，我們便聽到聲音。聲音是縱波，振動方向與傳播方向平行。傳播必須依靠介質：把響鈴的鬧鐘放進玻璃罩並抽走空氣，鈴聲隨之消失，可見真空不能傳聲。
2聲速由介質決定：固體粒子結合緊密，聲速最快；液體次之；氣體最慢。空氣中約為每秒 340 米，水中約為每秒 1500 米，鋼鐵中可超過每秒 5000 米。溫度升高，空氣粒子運動加快，聲速亦略增。舉個例子：遠處打雷時先見閃光後聞雷聲，若兩者相隔三秒，閃電距離約為 340 × 3 = 1020 米，這是估計雷雨距離的簡便方法。
3人耳可聞的頻率範圍約為 20 Hz 至 20 kHz，隨年齡增長上限會下降。頻率高於 20 kHz 的聲波叫超聲波，低於 20 Hz 的叫次聲波，兩者人耳都聽不到。聲音的三個主觀特徵各有物理對應：響度由振幅決定，振幅越大聲音越響；音調由頻率決定，頻率越高音調越高；音色由波形決定，使我們能分辨鋼琴與結他奏出的同一個音。
4聲波遇到障礙物會反射，反射回來的聲音叫回聲。回聲測距的公式是：距離等於聲速乘以時間再除以二，因為聲音走了一個來回。超聲波把這個原理發揚光大：輪船的聲吶向海床發射超聲波，量度回波時間便能繪出海深圖；醫院的 B 超掃描讓超聲波穿透人體，不同組織的反射訊號組成胎兒影像。超聲波頻率高、波長短，方向性好，探測精確。
5噪音是令人煩厭或有害的聲音，強弱以分貝表示：0 分貝約是人耳的聽覺門檻，日常交談約 60 分貝，長期暴露於 80 分貝以上的環境會損害聽力，演唱會與地盤打樁更可超過 110 分貝。佩戴耳塞、限制耳機音量、安裝隔音屏障，都是保護聽力的實際方法；分貝量度響度級而與頻率無關，這一點常被用來設問。
1重點摘要 Summary
聲音是縱波，靠介質粒子的疏密振動傳播，真空不傳聲，空氣中聲速約每秒 340 米。響度取決於振幅、音調取決於頻率、音色取決於波形；回聲測距與超聲波聲吶把波的公式變成量距離的工具。
2生字卡 Vocabulary
聲音賴以傳播的物質，如空氣、水與鋼鐵；真空沒有介質，不能傳聲。
聲波在介質中的傳播速率；空氣中約 340 m s⁻¹，隨溫度略升。
聲波經障礙物反射後返回的聲音；可用於測距。
人耳能聽到的頻率範圍，約 20 Hz 至 20 kHz。
頻率高於 20 kHz 的聲波，人耳聽不到；用於聲吶與 B 超。
聲音的強弱，由振幅決定；振幅越大越響。
聲音的高低，由頻率決定；頻率越高音調越高。
聲音的獨特質感，由波形決定，使我們分辨不同樂器。
聲音強度級的單位；0 分貝約為聽覺門檻，80 分貝以上長期暴露損害聽力。
向水中目標發射超聲波並接收回波，以探測距離與位置的系統。
3逐步講解 Steps
- 第一步：聲音怎樣產生與傳播一切聲音都源自振動：音叉、聲帶、琴弦振動時，反覆推壓周圍的空氣，形成密部與疏部相間的縱波，依次向外傳播。傳聲必須有介質，真空不傳聲。舉個例子：課堂上把響鈴的電鈴放進玻璃罩，抽氣機把空氣漸漸抽走，鈴聲越來越弱，最後幾乎聽不到，但鈴錘仍在敲打——這證明聲音需要空氣才能抵達我們的耳朵，光卻不受影響，我們仍能看見鈴在動。
- 第二步：聲速與介質、溫度的關係聲速由介質性質決定：固體粒子結合最緊密，振動傳得最快；氣體最慢。典型數值：空氣約 340 m s⁻¹，水約 1500 m s⁻¹，鋼超過 5000 m s⁻¹。溫度升高，空氣粒子平均動能增加，聲速略為上升。舉個例子：把耳朵貼上鐵軌，可以比空氣中的聲音更早聽到遠處火車，因為鋼軌中的聲速是空氣的十多倍；古代士兵夜裡枕著箭筒睡在地上，正是利用大地傳聲快的原理偵察騎兵。
- 第三步：可聞範圍與超聲波人耳可聞的頻率約由 20 Hz 至 20 kHz，孩童上限較高，年長後逐漸下降，所以長輩往往聽不到高頻的電子提示音。頻率高於 20 kHz 為超聲波，低於 20 Hz 為次聲波，兩者皆聽不到。蝙蝠與海豚以超聲波定位與溝通，地震與風暴則產生次聲波。舉個例子：驅蚊器發出約 20 kHz 上下的高頻音，成年人多數聽不到而部分青少年有聽感，正好示範可聞範圍因人而異。
- 第四步：響度、音調與音色聲音三特徵對應三個物理量：響度看振幅，音調看頻率，音色看波形。撥弦越用力，振幅越大，聲音越響；弦越短越緊，頻率越高，音調越高；同一個音由鋼琴與小號奏出，波形不同，音色便不同。舉個例子：調音師憑音色分辨樂器，醫生聽診時憑音色分辨心跳與雜音；把收音機音量調大只改變振幅與響度，絕不會把男聲變成女聲，因為頻率與波形沒有變。
- 第五步：回聲測距，記得除以二聲波遇障礙物反射成回聲。回聲測距：距離 = （聲速 × 時間）÷ 2，因為聲音走了去程與回程。舉個例子：對著山崖叫喊，1.5 秒後聽到回聲，聲音單程所用時間是 0.75 秒，崖的距離 = 340 × 1.5 ÷ 2 = 255 米。人耳要分辨回聲與原聲，時間差須超過約 0.1 秒，即障礙物至少約 17 米遠；在普通課室內牆壁太近，回聲與原聲融為混響，所以我們聽不到明顯的回聲。
- 第六步：超聲波的應用超聲波頻率高、波長短，方向性好，能匯聚成狹窄聲束，是精確探測的理想工具。輪船聲吶向海床發射超聲波，量度回波時間計算海深；漁船用聲吶尋找魚群；醫院 B 超用超聲波掃描胎兒與內臟，無創無輻射；工業上用超聲波檢測金屬內部裂紋。舉個例子：聲吶在 2 秒後收到海床回波，海水深度 = 1500 × 2 ÷ 2 = 1500 米；若誤用空氣中的 340 m s⁻¹ 代入便大錯特錯，因為聲音在水中的速度完全不同。
- 第七步：噪音、分貝與護耳噪音指令人煩厭或有害的聲音，強度以分貝級表示：0 分貝約是聽覺門檻，30 分貝如耳語，60 分貝如交談，80 分貝以上長期暴露損害聽力，超過 120 分貝可即時造成傷害。分貝量度響度級，與頻率無關，這是考試常考的分別。舉個例子：戴上耳塞可把傳入耳朵的音量壓低約 20 至 30 分貝，地盤工人、樂手與經常搭飛機的人都應使用；長期用耳機把音量調到最高，同樣會令聽力永久受損。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
例題：露營時，營友面向山崖大叫一聲，1.5 秒後聽到清晰的回聲。當時的聲速為 340 m s⁻¹。（a）求營友與山崖的距離。（b）一艘漁船用聲吶向海床發射超聲波，0.8 秒後收到回波；設海水中聲速為 1500 m s⁻¹，求海深。
- (a) 聲音往返共 1.5 s，單程時間 = 1.5 ÷ 2 = 0.75 s
- (a) 距離 = 聲速 × 單程時間 = 340 × 0.75
- (a) 距離 = 255 m
- (b) 海水中的單程時間 = 0.8 ÷ 2 = 0.4 s
- (b) 海深 = 1500 × 0.4 = 600 m
- 答案：(a) 山崖距離 = 340 × 1.5 ÷ 2 = 255 m。(b) 海深 = 1500 × 0.8 ÷ 2 = 600 m。兩條小題的關鍵都是把往返時間除以二；另一要點是 (b) 必須改用海水中 1500 m s⁻¹ 的聲速，介質一換，聲速即變，這是回聲測距題最常見的陷阱。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1為什麼真空不能傳聲？
Q2對山崖叫喊 2 秒後聽到回聲，聲速 340 m s⁻¹，崖有多遠？
Q3響度、音調、音色分別由什麼決定？
Q4超聲波是什麼？舉出兩項應用。
Q5在水中聲速約 1500 m s⁻¹，聲吶 1 秒後收到海床回波，海深多少？
8重點回顧 Recap
- 聲音是縱波，靠密部與疏部傳播；傳聲必須有介質，真空不傳聲
- 空氣中聲速約 340 m s⁻¹；固體中最快、氣體中最慢，溫度升高聲速略增
- 響度看振幅，音調看頻率，音色看波形；可聞範圍約 20 Hz 至 20 kHz
- 回聲測距：距離 = 聲速 × 時間 ÷ 2；介質不同聲速不同
- 超聲波（高於 20 kHz）用於聲吶與 B 超；噪音強弱以分貝量度，長期超過 80 分貝傷聽力