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4-4-1  聲波的波動原理

      入射波與射波的干涉(駐波)、共鳴現象 

聲音三要素:響度、音調、音品。

如果以波動的角度來看,三要素個與波動的哪些特性直接相關?

前進波與駐波http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/waveType/index.html

兩波在介質中相遇彼此重疊之現象稱為干涉(interference)。

相加性干涉
當兩個波中,波峰與波峰相遇,或波谷與波谷相遇時,波形會較原來為大,為建設性干涉或稱為相加性干涉;
對稱脈衝疊加(加強干涉)http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/wave/pulse.html
相向波
疊加http://www2.biglobe.ne.jp/~norimari/science/JavaEd/e-wave2.html

相消性干涉
當兩個波中,波峰與波谷相遇,則波形會較原來為小,為破壞性干涉或稱相消性干涉。
對稱脈衝波的疊加(相消干涉)
             :
http://www2.biglobe.ne.jp/~norimari/science/JavaEd/e-wave3.html

如果二個相向的連續週期波重疊會如何?
波的重疊原理http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/waveSuperposition/

駐波
一般樂器,二端固定、弦長固定,入射波、反射波在弦上不停反覆前進,所形成之合成波形將如以下動畫所示,因為波形只是在原處反覆,並沒有前進,故稱為駐波。
吳老師物理動畫http://www.ngsir.netfirms.com/chinesehtm/StatWave.htm
駐波1 http://www2.biglobe.ne.jp/~norimari/science/JavaEd/wave4.html
駐波2 http://www.ngsir.netfirms.com/chinesehtm/TwaveStatA.htm

駐波基音的波長決定樂器的音高。意思是說,如果二個固定端相距較遠,弦長較長,波長會較長音高則較低。

而基音與泛音的組合構成該樂器的音色。

可是,樂器間為何會音高同,可是音色卻不同呢?

就振動發音的方法不同將器分為三大類:弦樂器管樂器打擊樂器

弦樂器
利用琴弓摩擦或手指彈動,使弦振動發音的樂器,如小提琴、吉他、胡琴、琵琶或綱琴……等。如果將弦旋緊,或使弦的振動長度調短些,或選用細弦,則發出的音調將較高;反之,則較低

它們的弦是一條緊繃的金屬絲或腸線,當其受到彈撥、敲擊或用弓弦拉奏時,在弦上產生的橫波分向兩固定端進行,波再出兩端反射回來與入射波相遇。

相遇的波造成弦上某些固定位置上永遠不振動,我們稱它為波節。相鄰波節間之距離恰等於半波長,其間之介質則有橫向起伏的振動,振動最大的地方稱為波腹,這時的波看起來沒有移動,稱為駐波

駐波的振動,使周圍空氣受影響而振動產生縱波,弦樂器的聲音便是這樣傳出來的。弦的粗細、長短、緊張的程度決定其所發出來之聲音的頻率高低。細短張力大者頻率高,粗長鬆弛者頻率必低。

管樂器
利用吹奏方式,使管內空氣柱形成駐波振動而發音之樂器,稱為管樂器,例如喇叭、洞簫、笛、笙等。若空氣柱的振動長度愈短,則所發出的聲音就愈高;反之,則愈低。因此短笛發出的聲音,比長笛高。

管樂器有一端關閉的開管與兩端開放的開管兩種。閉管的封閉端為波節,開口端為波腹,其波幅圖形如圖。開管的兩開口端為波腹,其波幅圖形如圖。

打擊樂器
利用打擊方式,使皮膜、木板或金屬片振動產生聲音的樂器,則稱為打擊樂器,例如鼓、木琴、鑼。如果鼓皮的面積較小、張得較緊,或是鼓皮的厚度較薄,則發出的音調將較高;反之,則較低。因此大鼓發出的聲音較小鼓低沉。

敲打張緊的皮膜、板片、有空腔物體或棒狀體,使其產生駐波,駐波振動空氣而發出聲音,是此類樂器的特性。

鍵盤樂器
用敲動鍵盤的方式,帶動弦或風管內空氣柱的振動而發音的樂器,例如鋼琴、管風琴。嚴格來說,這類樂器的振動發音方式,屬於前三類之一。鍵盤本身不發音,只是用來傳動而已。

共鳴(共振)
大部分的樂器由兩個主要的部分組成,即振動體共鳴器。振動體用於發出聲音,而共鳴器則將聲音放大,例如吉他的弦用以振動發音,琴箱則作為共鳴之用。

附有共鳴箱,且頻率相同之兩音叉,箱口相對。敲擊其中一音叉,數秒後握住此音叉,使其停止振動,結果可發現另一音叉正在做同頻率的振動。像這樣,頻率相同之兩物體,其中之一在振動時,會引發另一物體起同樣之振動,這種現象稱為共振,共振發出的聲音稱為共鳴。

當我們聽到聲音時,鼓膜隨聲波做相同頻率的振動,也是一共振現象。演奏樂器時,若單靠振動體的振動,則所發出的聲音很弱。因此樂器大多設計有一空腔,透過空腔內空氣的共鳴,聲音得以放大。

樂器,尤其是弦樂器,大都有共鳴裝置。如鋼琴的共鳴板、各種提琴的共鳴箱等,都能引發大量空氣共振,提高聲音的響度,同時也影響樂器的音品。

日常生活中經常有共振現象如低空飛行的飛機、猛踩油門加速的公車,經常使玻璃門窗振動得嘎嘎作響。大建築物,如吊橋受強風吹襲或隊伍以整齊步伐通過時,需可引起共振而斷裂,所以在建築設計時應先考量其安全頻率,而隊伍沿吊橋行進時應改用便步,均可事先加以防範。

微波爐加熱的原理
前章我們已經知道,物質受熱時分子產生振動使溫度提高。微波爐就是微波發射裝置,所發射之微波會使食物內之水分子產生共振,以升高食物溫度達到烹煮目的。微波的穿透力很強,所以加熱食物時為內外並進,食物不易燒焦,加熱時間短,容易控制,是很理想的炊具,但其亦會使太接近的人之腦部及內臟受到傷害,故使用時應盡量遠離以策安全。