第三節 聲波的速率
比較聲波與光波的快慢


聲波的傳播究竟有多快呢?聲波的傳播速率稱為聲速。以定量方法分析聲速的快慢前,我們可以比較聲波與其他波的快慢,如檢視現實中一些會同時產生聲波與光波的現象,看看何者傳播得較快。

在行雷閃電時,我們會首先看到閃光出現,還是首先聽到雷擊的響聲呢?以慢鏡記錄了一個典型的閃電現象,由此可知:

      聽到雷擊響聲
  • 會早於
  • 會晚於
  • 乃同步會
看到閃電的光。

行雷閃電時,當看到閃光出現後,會相隔幾秒後才聽到雷聲。


類似的情況亦可見於農曆新年期間,於維多利亞港上演的煙花匯演()。若我們從遠處觀賞煙花的話,有沒有留意到,當煙花綻放出五顏六色的光線後,要相隔一會才會聽到煙花爆炸的聲音?

以上現象的發生原因是,聲音的傳播速率比光慢。光的速率卻非常快,在遠處發生的事件的景象,會在非常短的時間傳到觀察者。聲音卻需要較長的時間才能從遙遠的發聲處傳到觀察者。同樣道理,當聲速小於其他物體的速率時,亦會發生類似的有趣現象()。


行雷閃電現象(請使用耳機聆聽,留意出現閃電與雷聲的先後)
香港維多利亞港於農曆新年的大年初二晚上,上演煙花匯演
當聲速小於噴射機的飛行速率時,我們會感到噴射機飛過以後,才聽到它的聲音。
聲速的大小與影響因素


由於波速取決於介質的特性,聲波在不同介質中的傳播速率是不同的。

列出了聲波在各種處於攝氏零度的介質中的速率。從表中特別值得留意,原來聲波在氣體、液體和固體中的速率,有顯著的不同。一般而言,聲波在固體中會傳播得較快,在氣體中會較慢,即:

固體中聲速  >  液體中聲速  >  氣體中聲速

對於在流體中的聲速,乃取決於流體的壓縮性與密度。密度愈低,聲速愈大;壓縮性愈高,聲速便愈小。當考慮聲波在空氣中傳播時,由於上述這些介質特性又受如溫度、濕度等因素影響,所以聲音在空氣中的速率會隨它們的改變而有所變化:

  • 溫度愈高,聲速愈大;
  • 濕度愈高,聲速也愈大。

除以上各項之外,還有哪些因素會影響在空氣中的聲速?試估計下列哪些是影響聲速的正確因素(另見):

聲音音量愈大,聲速愈大
說話說得愈急,聲速愈大
順風方向較逆風方向,聲速較大

聲音音量愈大,振幅愈大;而說話說得愈急,聲音的頻率愈大。但兩情況中空氣介質仍不變,故聲速不變。

有風時,空氣本身亦在運動,計算聲速時便要加上風速作矢量加法。故此風速可以影響聲速;順風方向、聲速愈快,逆風方向、聲速減慢。


事實上,溫度是空氣中聲速的最主要影響因素。例如在 0°C 空氣中的聲速約是 331 \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\);在 20°C 空氣中的聲速約是 340 \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\)。由於在地球表面附近,大氣溫度隨海拔高度升高而下降,這表示位處高地時聲速會減慢。


介質 聲速 / \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\)
空氣 331
334
316
1284
二氧化碳 259
1437
水銀 1450
玻璃 5640
4760
5960
攝氏零度下,聲波在不同介質中的傳播速率
打鼓愈用力,聲音是否傳得愈快?而打鼓打得愈快,聲音的速率又是否愈快?
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