第二節 聲音的折射
觀察聲波的折射

記得折射就是波進入另一種介質時,若波斜向入射介質分界面出現波速變化,波的傳播方向會改變。我們可以用所示的實驗來示範聲波折射的特性。

所示,由揚聲器持續發出的聲波,會傳播至波源的若干距離外。聲波在某處的大小可藉微音器檢測,其波形會顯示在示波器上。為簡化說明,假設揚聲器發出的聲波呈直線波。現考慮把一個二氧化碳氣球或一個氫氣球放在揚聲器及微音器之間,從示波器上所示波形,可推斷:

      聲波穿越二氧化碳氣球後,微音器在該處會錄得聲音
  • 變大
  • 變小
  • 大小不變

      聲波穿越氫氣球後,微音器在該處會錄得聲音
  • 變大
  • 變小
  • 大小不變

二氧化碳氣球放在揚聲器與微音器之間時,示波器上的波有較大的波幅,表示聲音變大了;氫氣球放在揚聲器與微音器之間時,示波器上的波有較小的波幅,表示聲音變小了。


細心留意的話會發現,聲波穿越氣球後,傳播方向便起變化。為甚麼聲音通過二氧化碳氣球後會變大,而通過氫氣球後卻會變小呢?

  • 聲波在二氧化碳的速率比它在空氣中低,當從空氣傳播到二氧化碳時會發生折射;傳播方向折向法線。故此,二氧化碳氣球可以會聚聲波,情況就如凸透鏡會聚光線一樣。聲波經會聚後,在微音器所在的聲音便變大了。
  • 相反,聲波在氫氣的速率比它在空氣中高,當從空氣傳播到氫氣時也會發生折射;但傳播方向折離法線。故此,氫氣球可以發散聲波,情況就如凹透鏡能發散光線那般。聲波經發散後,在微音器所在的聲音便變小了。

聲波與其他形式的波一樣,都具有波的折射特性。



空氣中的聲波被二氧化碳或氫氣折射的情況。請比較是否設置二氧化碳或氫氣球於揚聲器與微音器之間時,聲波的變化。
生活中的聲音折射

既然聲波有折射的特性,日常生活中會有些現象是源自這特性的嗎?

一個典型例子就是,當聲波在空氣温度不均勻的區域傳播時,由於空氣溫度愈高,聲速愈大,聲波在空氣中不同區域的速率便不同,令波向產生變化,造成折射。試考慮

  • (a) 的情境,靠近地面的空氣温度會較上空的為高。當聲音在這區域間傳播時,傳播方向
    • 維持不變
    • 逐漸折向上方的冷空氣
    • 逐漸折向下方的暖空氣
  • (b) 的情境,靠近地面的空氣温度會較上空的為低。當聲音在這區域間傳播時,傳播方向
    • 維持不變
    • 逐漸折向上方的暖空氣
    • 逐漸折向下方的冷空氣


為甚麼會這樣呢?

(a) 這情況常見於日間,靠近地面的空氣温度會較高,聲波近地面時傳播得較快,故此其傳播方向便會偏離地面。而(b) 這情況則常見於晚間,靠近地面的空氣温度較低,聲波於近地面傳播得較慢,故此其傳播方向會偏向地面。

其實聲波這現象,乃跟水波愈靠近岸邊時,會愈折向法線而令波陣面與海岸線平行的現象,乃同出一轍(見模組《波的反射、折射和繞射》第二課)。



聲波在空氣温度不均勻的區域傳播時,傳播方向彎曲
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