声音

空气和所有物质一样，是由分子组成的。即使是很小的空气区域也包含大量的空气分子。分子在不断地运动，以极大的速度随机地移动。它们不断地相互碰撞和反弹，从与空气接触的物体上撞击和反弹。

振动的物体会在空气中产生声波。例如，当用木槌击打鼓面时，鼓面振动并产生声波。振动的鼓面产生声波，因为它向外和向内交替移动，推挤，然后远离它旁边的空气。当鼓面向外运动时，撞击鼓面的空气分子受到鼓面的推动，以超过其正常能量和速度反弹。这些快速运动的分子进入周围的空气中。因此，在一段时间内，鼓面附近的区域空气分子的浓度高于正常水平——它成为一个压缩区域。当快速移动的分子超过周围空气中的空气分子时，它们与空气分子相撞并传递额外的能量。当振动鼓面的能量转移到越来越远的分子群时，压缩区域向外移动。

当鼓面向内运动时，撞击鼓面的空气分子会以低于其正常能量和速度反弹。因此，在某一时刻，鼓面附近的区域比正常情况下空气分子更少——它变成了一个稀薄区域。与这些运动较慢的分子相撞的分子也会以比正常情况下更慢的速度反弹，并且稀薄区域向外移动。

当压缩和稀薄的交替脉冲经过某一点时，用图表显示空气分子浓度的变化时，声音的波性就变得很明显了。单音曲线图单音曲线图，如音叉产生的单音曲线图这条曲线显示了浓度的变化。它开始时，任意的，在某个时间，当浓度是正常的，压缩脉冲刚刚到达。曲线上每个点到水平轴的距离表示浓度与正常浓度的差异。

每次压缩和随后的稀薄组成一个循环。(一个周期也可以从曲线上的任何一点到下一个相应的点测量。)声音的频率是以每秒的周期或赫兹(缩写Hz)来测量的。振幅是空气分子浓度与正常浓度变化的最大幅度。

声音的波长是扰动在一个周期内传播的距离。它与声音的速度和频率有关，公式是速度/频率=波长。这意味着高频声音的波长较短，而低频声音的波长较长。人耳可以探测到频率低至15赫兹和高至20,000赫兹的声音。在室温下的静止空气中，这些频率的声音波长分别为75英尺(23米)和0.68英寸(1.7厘米)。

强度是指由扰动传递的能量量。它与振幅的平方成正比。强度是以瓦特每平方厘米或分贝(db)来衡量的。分贝刻度的定义如下:10-16瓦特每平方厘米的强度等于0分贝。(10-16写成十进制，为0.0000000000000001)瓦特每平方厘米每增加10倍，就意味着增加10分贝。因此，10-15瓦特每平方厘米的强度也可以表示为10分贝，10-4(或0.0001)瓦特每平方厘米的强度表示为120分贝。

声音的强度随离声源距离的增加而迅速下降。对于能量向各个方向均匀辐射的小声源，其强度的变化与到声源的距离的平方成反比。也就是说，距离光源两英尺处的强度是距离光源一英尺处的四分之一;在三英尺时，它只有一英尺时的九分之一，等等。

球场

音高取决于频率;一般来说，频率的升高会引起音调升高的感觉。然而，分辨两个频率相近的声音的能力在可听频率范围的上部和下部会下降。在区分两个频率几乎相同的声音的能力上，人与人之间也存在差异。一些训练有素的音乐家可以检测到频率的差异，小到1或2赫兹。

由于听觉机制的作用方式，音高的感知也受到强度的影响。因此，当音叉振动440hz(钢琴中音C以上的a的频率)，靠近耳朵时，就会听到一个稍微低一点的音调，好像音叉振动得更慢了。

当声源以相对较高的速度移动时，静止的听者在声源向他或她移动时听到音调较高的声音，在声源远离时听到音调较低的声音。这种现象被称为多普勒效应，是由于声音的波动性质。

响度

一般来说，强度的增加会引起一种响度增加的感觉。但响度并不与强度成正比。50分贝的声音强度是40分贝的10倍，但音量只有40分贝的两倍。强度每增加10分贝，响度就增加一倍。

响度也受频率的影响，因为人的耳朵对某些频率比其他频率更敏感。在2000到5000赫兹的频率范围内，听觉阈值——能使大多数人产生听觉的最低声音强度——约为0分贝。对于低于或高于这个范围的频率，声音必须有更大的强度才能被听到。例如，100hz的声音在30 dB时几乎听不见;10000赫兹的声音在20分贝时几乎听不见。在120到140分贝时，大多数人会感到身体不适或疼痛，这种强度被称为疼痛阈值。

声速取决于它所经过的介质的弹性和密度。一般来说，声音在液体中比在气体中传播快，在固体中比在液体中传播快。弹性越大，密度越低，声音在介质中的传播速度就越快。其数学关系为速度=(弹性/密度)。

弹性和密度对声速的影响可以通过比较空气、氢和铁中的声速来了解。空气和氢具有几乎相同的弹性性质，但氢的密度比空气的密度小。因此，声音在氢气中的传播速度比在空气中快(大约是空气传播速度的4倍)。虽然空气的密度比铁小得多，但铁的弹性却比空气大得多。因此，声音在铁中的传播速度(大约是空气传播速度的14倍)要快于在空气中的传播速度。

声速在材料中，特别是在气体或液体中，随着温度的变化而变化，因为温度的变化会影响材料的密度。例如，在空气中，声速随着温度的升高而增加。在32°F。(0°c)，空气中的声速为1087英尺每秒(331米/秒);在68°F。(20°c)，它是1127英尺每秒(343米/秒)。

亚音速和超音速这两个术语是指物体(如飞机)的速度与周围空气中声速的关系。亚音速低于音速;超音速超音速，高于音速以超音速运动的物体产生的是冲击波而不是普通的声波。冲击波是一种压缩波，当它在空气中产生时，通常可以听到音爆。

超音速物体的速度通常用马赫数来表示——马赫数是物体的速度与周围空气中的声速之比。因此，以1马赫的速度运动的物体就是以音速运动的物体;在2马赫时，它的速度是音速的两倍。

就像光波和其他波一样，声波也会反射、折射和衍射，并表现出干涉。

反射

声音不断地从许多不同的表面反射回来。大多数时候反射的声音是不会被注意到的，因为两个相同的声音在不到1/15秒的时间内到达人耳，是不能被区分为不同的声音的。当单独听到反射的声音时，就叫做回声。

声音从一个表面反射回来的角度与它击中表面的角度相同。这一事实使得用曲面反射面聚焦声音成为可能，就像用曲面镜聚焦光线一样。这也解释了所谓的耳语走廊的效果，在这个房间里，在一个点上低语的一个字，在相当远的另一个点上可以清晰地听到，尽管在房间的其他地方都听不到。(美国国会大厦的雕像厅就是一个例子。)反射也用于聚焦扩音器中的声音，以及通过杯状的手进行呼叫时。

在音乐厅和礼堂里，声音的反射会造成严重的问题。在一个设计不佳的大厅里，演讲者的第一个词可能会回荡几秒钟，这样听众就可能同时听到一个句子的所有词都有回音。同样，音乐也会被扭曲。这些问题通常可以通过在反射表面覆盖上吸音材料(如窗帘或隔音砖)来解决。衣服也会吸收声音;因此，在空荡荡的大厅里反响比在挤满人的大厅里要大。所有这些吸音材料都是多孔的;声波进入微小的充满空气的空间，在里面来回弹跳，直到能量消耗殆尽。实际上，他们被困住了。

有些动物，尤其是蝙蝠和齿鲸，利用声音的反射来进行回声定位——通过听觉而不是视觉来定位，有时还通过听觉来识别物体。蝙蝠和齿鲸发出的声音频率远远超过人类听力的上限，鲸鱼的频率高达20万赫兹。波长较短的声音甚至可以从非常小的物体反射回来。在一片漆黑中，蝙蝠甚至可以准确地找到并捕捉到蚊子。声纳是回声定位的一种人工形式。

折射

当波以一定角度从一种物质传播到另一种物质时，它通常会改变速度，导致波阵面弯曲。声音的折射可以在物理实验室中演示，使用一个充满二氧化碳的透镜形状的气球将声波聚焦。

衍射

当声波绕过障碍物或通过障碍物的开口时，障碍物或开口的边缘就充当次要声源，发出与原始声源相同频率和波长(但强度较低)的声波。声波从二次源发出的传播叫做衍射。由于这种现象，尽管声波通常是沿直线传播的，但声音可以在拐角处被听到。

干扰

波相互作用时，就会发生干涉。对于声波来说，最好的理解方法是考虑两种声波到达某一点时的压缩和稀疏性。当波相位差使它们的压缩和稀疏相重合时，它们会相互加强(相长干涉)。当它们不相时，一个的压缩与另一个的压缩相重合，它们就会减弱甚至相互抵消(破坏性干涉)。两波之间的相互作用产生合成波。

在礼堂里，来自舞台的声音和从大厅其他部分反射出来的声音之间的破坏性干扰可能会造成声音的音量和清晰度都很差的死点。这种干扰可以通过在反射表面上使用吸音材料来减少。另一方面，干扰可以改善礼堂的声学质量。这是通过安排反射表面的方式来实现的，这样声音的水平实际上是增加了观众所在的区域。

两种频率几乎相等但不完全相等的波之间的干涉产生一种强度交替增减的音调，因为这两种波不断地相合而又不相合。听到的脉搏叫拍。钢琴调音师利用这种效果，调整弦的音调与标准音叉的音调，直到节拍听不见为止。

单一频率的声音只能由音叉和称为振荡器的电子设备产生;大多数声音是不同频率和振幅的音调的混合物。乐器发出的音调有一个重要的共同特征:它们是周期性的，也就是说，振动以重复的模式发生。喇叭声的示波器痕迹显示了这样一种模式。对于大多数非音乐性的声音，比如气球爆炸或人咳嗽的声音，示波器的轨迹会显示出参差不齐、不规则的模式，表明频率和振幅混乱。

一个气柱，如小号中的气柱，和一根钢琴弦，都有一个基本频率，即它们在运动时最容易振动的频率。对于振动的空气柱，其频率主要由柱的长度决定。(喇叭口的阀瓣用来改变柱的有效长度。)对于振动的弦，基本频率取决于弦的长度、张力和单位长度的质量。

除了基频外，一根弦或振动的空气柱也会产生频率为基频整数倍的泛音。它是产生的泛音的数量和它们的相对强度，赋予一个特定来源的音乐音调独特的质量或音色。进一步的泛音的加入会产生一个复杂的图案，比如小号声音的示波器痕迹。

振动弦的基本频率如何取决于弦的长度、张力和单位长度的质量可以用三个定律来描述:

1.弦振动的基本频率与它的长度成反比。

如果张力保持不变，将振动弦的长度缩短一半，其频率将增加一倍，音调将提高一个八度。

2.弦振动的基本频率与张力的平方根成正比。

增加振动弦的张力，频率就会提高;如果张力是原来的四倍，频率就增加一倍，音调就提高一个八度。

3.弦振动的基本频率与单位长度质量的平方根成反比。

这意味着在两根相同材料、相同长度和张力的弦中，较粗的弦具有较低的基频。如果一根弦的单位长度质量是另一根弦的四倍，较粗的弦的基频是较细的弦的二分之一，发出的音调要低一个八度。

关于声音的最早发现之一是在公元前6世纪由希腊数学家和哲学家毕达哥拉斯作出的。他注意到一根振动的弦的长度和它发出的音调之间的关系，这就是现在所知的弦第一定律。毕达哥拉斯可能也知道声音的感觉是由振动引起的。不久，人们就认识到这种感觉是由空气中振动和鼓膜振动引起的。

大约在1640年，法国数学家马林·梅森进行了第一次实验，确定了声音在空气中的速度。梅森还被认为发现了弦的第二和第三定律。1660年，英国科学家罗伯特·博伊尔证明了声音的传播需要一种媒介——他证明了人们听不到从一个罐子里泵出空气的铃声。

德国物理学家恩斯特·克拉尼(Ernst Chladni)在18世纪末和19世纪初对产生声音的振动进行了广泛的分析。1801年，法国数学家傅立叶发现，复杂的波是由一系列简单的周期波组成的。

在19世纪，人们对海浪进行了大量研究。英国物理学家托马斯·杨专门研究衍射和干涉。奥地利的克里斯蒂安·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)提出了当波的源相对于观察者移动时，实际频率和可感知频率之间的数学关系。

19世纪90年代后期，哈佛大学物理学家华莱士·克莱门特·萨宾对声学的理解做出了重要贡献。萨宾被要求改善哈佛大学福格艺术博物馆主讲厅的音响效果。他是第一个测量混响时间的人，他发现教室里的混响时间是5秒半。Sabine首先试验了附近剧院的坐垫，后来又试验了其他吸音材料和其他方法，为建筑声学奠定了基础。他设计了波士顿交响音乐厅(1900年开放)，这是第一个科学设计声学的建筑。

在20世纪下半叶，现代世界不断上升的噪音水平——尤其是在城市地区——促使了一系列全新的调查，在很大程度上处理噪音对人类的生理和心理影响。