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《振動噪音科普專欄》聲音如何產生?


聲音無所不在,有交通的汽機車聲音、甚至飛機的聲音,有大自然的風吹草動聲音、蟲鳴鳥叫的聲音,有美妙動聽的音樂,來自各種樂器發出的聲音、歌手歡唱的聲音。那麼這些聲音是怎麼產生的?聲音的產生機制是甚麼?這個單元就來談聲音如何產生?

要談聲音的發聲機制,可以參考圖示,從SPR來說明:

1.          SSource,聲音的音源、或是振動的振動源。
2.          PPath,路徑,就是傳播路徑。
3.          RReceiver,收受者,就是接收、感受到的聲音或振動,R也可視為Response,振動或聲音的響應、反應。

對前述的Path傳播路徑,又可以解構成兩個路徑,一是structural path結構路徑,一是air path空氣路徑。

振動及聲音來source來源成因,可以蓋分兩種,力的形式(force type)及流場形式(flow type)

如右上圖圖示的左圖,結構受外力作用,結構會產生振動,進而由結構產生聲音輻射(sound radiation)在空氣間傳播,空氣就是介質(media)。另外,如右上圖圖示的右圖,假設有流場壓力的入射,也會引發結構體的振動,在一側會有反射音、在另一側也會有穿透音。

所以,聲音的產生機制,可以有兩種形式:

1.       Structural vibration induced sound 由結構振動引發的介質波動,所產生的聲音,例如:圖示的打擊樂器,就是以打擊棒敲擊鐵琴或三角鐵,使得結構體產生振動,而發出聲音。
2.       Flow induced sound 係由流場流動壓力引發介質的波動所產生的聲音,例如:圖示的管樂器,就是吹奏薩克斯風或黑管,經由流體在管路中的流動,而發出聲音。

在聲音的傳播路徑(path),可以區分為:

1.      藉由空氣傳播的聲音Air-borne sound:就是以空氣為介質的聲音傳播。如果,三角鐵打擊樂器是在水中,敲擊後,此時的介質是水,同樣會在水中有聲音傳播的現象,可稱為water-borne sound,或fluid-borne sound,就是以流體為介質的聲音傳播,此即為水中聲學(under water acoustics)之範疇。
2.      藉由結構傳播的聲音Structure-borne sound:就是以結構體為傳播的介質,產生結構振動波的傳遞,當結構振動與空氣或流體介質會有交互作用,而引發聲音的輻射。

本文由SPR (source-path-receiver/response)的角度,來看聲音的產生與傳播,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.03.15