第四節 聲音的干涉
觀察聲波的干涉

聲波有干涉的特性,這可從實驗中得到驗證。

是一個聲波干涉實驗的裝置。把兩個揚聲器連接到一台訊號產生器上,並把它們放置在桌子上,使它們分隔一段距離。開啟揚聲器產生聲音,適當調較訊號產生器的頻率。當一個人在兩個揚聲器前橫過的時候,他會覺得聲音交替地變大及變小。這個現象就是聲波的干涉。我們亦可以用微音器接收聲音訊號,在示波器上顯示聲音的波形。示波器上的波幅大小,便反映微音器所在的聲音大小。

所示實驗的模擬(即)。事實上,在聲音較響的位置,聲波在發生相長干涉;在聲音較弱的位置,聲波在發生相消干涉。由於聲波干涉的條件跟水波和光波的一樣,換言之(\(\lambda \) 代表波長):

發生 相長干涉 的條件:        \(程差=n\lambda \)

發生 相消干涉 的條件:        \(程差=(n+½)\lambda \)

其中 \(n\) 是整數 (0, 1, 2, 3, ‧‧‧‧‧‧)。



聲波干涉的實驗
聲波發生相長干涉的地方,波 1 粒子與波 2 粒子的振動同相;密部與密部疊加、疏部與疏部疊加。
聲波發生相消干涉的地方,波 1 粒子與波 2 粒子的振動反相;密部與疏部疊加。

節線 \({{N}_{3}}’\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{3}}’\) 與腹線 \({{A}_{2}}’\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{2}}’\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{2}}’\) 與節線 \({{N}_{2}}’\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{2}}’\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{2}}’\) 與腹線 \({{A}_{1}}’\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{1}}’\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{1}}’\) 與節線 \({{N}_{1}}’\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{1}}’\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{1}}’\) 與腹線 \({{A}_{0}}\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{0}}\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{0}}\) 與節線 \({{N}_{1}}\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{1}}\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{1}}\) 與腹線 \({{A}_{1}}\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{1}}\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{1}}\) 與節線 \({{N}_{2}}\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{2}}\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{2}}\) 與腹線 \({{A}_{2}}\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{2}}\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
腹線 \({{A}_{2}}\) 與節線 \({{N}_{3}}\) 間接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。
節線 \({{N}_{3}}\) 上接收到的聲音訊號。請按素材上方按鈕以改變微音器的位置,留意示波器上波形大小的變化。

聲波的相長和相消干涉的形成,與水波和光波類似;但聲波是縱波,需關注 密部/疏部 之間的相遇:

【相長干涉】
當一個聲波的密部和另一聲波的密部相遇,或一聲波的疏部和另一聲波的疏部相遇時,就會造成相長干涉(見)。

      當相長干涉發生時,粒子的振幅會
  • 變大
  • 變小
  • 維持不變

【相消干涉】
當一個聲波的密部和另一個聲波的疏部相遇時,就會發生相消干涉(見)。

      當相消干涉發生時,粒子的振幅會
  • 變大
  • 變小
  • 維持不變

如果繪畫聲音強度(簡稱聲強)隨橫向位置變化的圖像,便會得出一幅聲強乃交替地變大和變小的線圖。您可點擊這裡觀看圖像,或探究影響聲波干涉的因素。

另一方面,您有留意在剛才的模擬中(),在相消干涉發生的位置,示波器上仍有訊號,會出現小的波形?這表示該處並非寧靜,而是仍有微弱的聲音嗎?不要忘記地面或牆壁會把揚聲器的聲音反射!這些反射回來的聲音,到達相消干涉發生的位置上時,因為沒有對應的聲音與之發生相消干涉,所以便留下來成為檢測到的微弱聲音。


聲波與光波的比較

我們已介紹了反射、折射、繞射、干涉,這四項波的特性,反映聲音具有的波的本質。下表總結聲波和光波的一些差異:

  聲波 光波
產生方式 介質的振動 電場與磁場的振動
波動模式 在空氣中是縱波 橫波
波的類別 機械波 電磁波
傳播需否介質? 必須 非必須
傳播的媒介 固體、液體或氣體介質 真空;透明的固體、液體或氣體介質
空氣中的速率 20°C 時約為  340 \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\) 3 × 108 \(\text{m }{{\text{s}}^{-1}}\)
波長 一般說話約  10 \(\text{cm}\)  ~  1 \(\text{m}\) 4 × 10-7 \(\text{m}\)  ~  7 × 10-7 \(\text{m}\)
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