聲音的特性：一起來製造聲波吧！
由港鐵車門的提示聲到耳機裏的音樂，聲音無處不在。但聲音究竟是甚麼？
在本章，你會學到聲音是由振動產生的、聲音需藉介質傳送、聲音的速度在固體、液體和氣體中有何不同、聲音如何反射形成迴聲，以及音調和響度怎樣與振動有關。你亦會學習閱讀波形，並用手機應用程式探究響度。耳朵如何接收聲音，可參閱「聽覺」一章。
1. 聲音是由振動產生的
振動是一種快速的來回運動。所有聲音都是由振動的物體產生的。振動停止，聲音亦會停止。
親身感受一下
1. 你的聲音 – 把手指放在喉嚨上，然後哼歌。你會感受到聲帶在振動。
2. 桌上的間尺 – 把間尺一端按在桌上，再撥動另一端。間尺會上下振動，發出「嘣嘣」聲。
3. 音叉 – 敲擊音叉，然後把叉臂放進水中。水花會濺起，因為叉臂正在快速振動。
振動怎樣傳播？
振動的物體會推拉旁邊的空氣粒子，這些粒子又會推動下一批粒子。於是形成粒子擠在一起的區域（密部）和粒子散開的區域（疏部）。
粒子只會在原處來回移動，真正向前傳播的是能量，這就是聲波。就像運動場上的「人浪」：每位觀眾只是站起又坐下，但人浪卻能繞場一周。
重點：聲音由振動產生，並以波的形式傳播，把能量由一粒子傳到另一粒子。
2. 聲音需藉介質傳送
介質是聲音傳送時所經過的物質，可以是固體、液體或氣體。沒有粒子傳遞振動，聲音便無法傳送。
鐘罩內的電鈴實驗
裝置：把一個正在響的電鈴放在密封的玻璃鐘罩內，再用真空泵慢慢抽走鐘罩內的空氣。
觀察：鈴聲變得愈來愈微弱。你仍然看見鈴錘在敲打電鈴，卻幾乎聽不到聲音。讓空氣重新進入鐘罩後，鈴聲又再變響。
結論：聲音不能在真空中傳送（真空即沒有粒子的空間）。光可以在真空中傳播，所以你仍然看得見電鈴。你可能仍會聽到微弱的聲音，因為鐘罩內仍剩下少量空氣，而且部分振動會經支架傳出。
太空中一片寂靜
外太空幾乎是真空，所以太空人在太空漫步時要用無線電通話，因為無線電波可以穿過真空。太空站內有空氣，所以在中國太空站的「天宮課堂」中，太空人可以如常對話。
你知道嗎？太空戰爭電影中震耳欲聾的爆炸聲並不真實。在太空中，附近的太空船根本聽不到爆炸聲！
重點：聲音需藉介質（固體、液體或氣體）傳送，不能在真空中傳送，但光可以在真空中傳播。
3. 聲音傳得有多快？
聲音的速度取決於介質。聲音在固體中傳得最快，在液體中較慢，在氣體中最慢。固體的粒子排列緊密，而且互相緊扣，所以能快速傳遞振動。
聲音的大約速度：
空氣：約 340 m/s
水：約 1500 m/s
鋼：約 5000 m/s
記憶小貼士：「固、液、氣——快、中、慢」。粒子愈緊密，聲音傳得愈快。試試看：把耳朵貼在桌面，請同學在桌子另一端輕敲，經桌子傳來的敲擊聲會更清楚。
聲音比光慢得多
光在空氣中的速度差不多是聲音的一百萬倍。閃電和雷聲是同時產生的，但你會先看見閃電，後聽到雷聲。我們可以藉此估計雷暴離我們有多遠：
\(\text{距離} = \text{速率} \times \text{時間}\)
例子：你在看見閃電後 3 s 聽到雷聲。\(\text{距離} = 340 \times 3 = 1020\ \text{m}\)，即約 1 km 遠。
重點：聲音在不同介質中以不同速度傳送：在固體中最快，在氣體中最慢（在空氣中約 340 m/s）。
4. 聲音會進行反射：迴聲
和光一樣，聲音遇到物體表面時會反彈，這就是聲音的反射。與原來的聲音分開聽到的反射聲，稱為迴聲。
堅硬、平滑和面積大的表面，例如懸崖、大廈和隧道牆壁，能有效反射聲音。柔軟的物料，例如窗簾和地毯，則會吸收聲音。所以在空置的單位裏說話會有迴聲，搬入傢俬和掛上窗簾後便會減少。
表面要離你夠遠（大約 17 m 或以上），才能聽到清晰的迴聲，例如在郊野公園向山坡大叫。如果表面太近，迴聲會和原來的聲音混在一起。
利用迴聲量度距離
迴聲要去到表面再返回，所以聲音走了兩倍的距離：
\(\text{與表面的距離} = \dfrac{\text{速率} \times \text{時間}}{2}\)
例子：你拍手後 0.5 s 聽到懸崖傳來的迴聲。\(\text{距離} = \dfrac{340 \times 0.5}{2} = 85\ \text{m}\)
利用迴聲的動物
蝙蝠 – 很多蝙蝠在漆黑的晚上捕捉昆蟲。蝙蝠會發出非常高音的叫聲（大部分高得人類聽不到），再聆聽迴聲，從而知道昆蟲或障礙物在哪裏、有多遠。這稱為迴聲定位。
海豚 – 海豚在水中發出急速的「咔嗒」聲，再聆聽迴聲來尋找魚類和辨認方向，即使在混濁的海水中也可以，例如香港中華白海豚生活的水域。
迴聲定位幫助這些動物在眼睛派不上用場的地方導航，以適應環境。
重點：聲音遇到堅硬的表面會反射，形成迴聲。蝙蝠和海豚利用迴聲尋找食物和辨認方向。
5. 樂音的音調與響度
樂音是音調穩定的音樂聲音，例如按下一個鋼琴鍵所發出的聲音。每個樂音都有音調和響度。
音調取決於頻率
音調是指聲音的高低，取決於振動的頻率，即每秒完成振動的次數。頻率的單位是赫茲（Hz），\(1\ \text{Hz}\) 即每秒振動 1 次。標示 256 Hz 的音叉每秒振動 256 次。
頻率愈高 → 音調愈高（例如哨子聲、雀鳥歌聲）。
頻率愈低 → 音調愈低（例如大鼓聲、船笛聲）。
響度取決於振幅
響度是指聲音的大小，取決於振動的振幅，即物體離開靜止位置的最大距離。
振幅愈大 → 聲音愈響，因為振動帶有更多能量。用力打鼓，鼓皮的振幅會變大，聲音更響，但音調不變。
記憶小貼士：振動得快 → 音調高（看頻率）；振動得大 → 聲音響（看振幅）。
樂器實例
結他弦 – 弦線較短、較緊或較幼，振動較快，音調便較高。撥弦力度較大，樂音便較響。
桌上的間尺 – 伸出桌邊的部分較短，振動較快，音調較高。把末端按得較低才放手，振幅較大，聲音較響。
鼓 – 鼓皮較緊或鼓的體積較小，音調較高。打得較用力，聲音較響。
重點：音調取決於頻率，響度取決於振幅。改變其中一個，不一定會改變另一個。
6. 看見聲音：波形
咪高峰把聲音轉換成電訊號，示波器或手機上的聲音應用程式再把訊號畫成一條波浪形的線，稱為波形。橫軸表示時間。
如何閱讀波形
數一數波的數目：在相同時間內，完整的波愈多 → 頻率愈高 → 音調愈高。
看看波的高度：波愈高 → 振幅愈大 → 聲音愈響。
比較四個樂音
想像四個以相同刻度畫出的波形：
樂音 A – 4 個波，高 2 格（作為參考）。
樂音 B – 8 個波，高 2 格 → 音調比 A 高，響度與 A 相同。
樂音 C – 4 個波，高 4 格 → 音調與 A 相同，但較響。
樂音 D – 2 個波，高 1 格 → 音調比 A 低，聲音亦比 A 輕。
只可比較以相同屏幕設定畫出的波形，就像公平測試中的控制變量一樣！
重點：在波形上，相同時間內的波愈多，音調愈高；波愈高，聲音愈響。
7. 探究：響度如何隨距離而變化？
目的：使用流動裝置，找出樂音的響度如何隨聲源距離而變化。
儀器：一部播放穩定樂音的手機（使用訊號產生器應用程式）、另一部裝有聲級計應用程式的手機，以及一把捲尺。應用程式以分貝（dB）顯示響度（詳見「聲音和環境」一章）。
變量
自變量：與聲源的距離。
因變量：應用程式顯示的響度讀數。
控制變量：相同的樂音和音量設定、相同的手機和應用程式、相同的高度和方向，以及在寧靜的房間進行。
步驟
1. 關掉聲源，量度背景噪音。
2. 播放樂音，記錄距離聲源 0.5 m 處的讀數。
3. 在 1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m 和 3.0 m 處重複量度。
4. 在每個距離量度三次，並求平均值。
5. 繪畫響度對距離的線圖。
結果和結論
距離愈遠，響度讀數愈低。靠近聲源時讀數下降得快，之後下降得較慢。這是因為聲音的能量在傳播時會散開到愈來愈大的範圍，而且部分能量會被空氣吸收。
準確度與精密度：重複量度的讀數十分接近，表示量度的精密度高。手機應用程式未必經過校準，讀數未必很準確，但仍能清楚顯示趨勢。應在寧靜、附近少硬牆的地方進行，以減少迴聲的影響。
重點：樂音的響度隨著與聲源的距離增加而減少。
常見錯誤
錯誤 1：「聲音愈響，音調愈高。」錯！響度取決於振幅，音調取決於頻率。一個樂音可以又響又低沉，也可以又輕又高。
錯誤 2：「聲音在空氣中傳得最快。」錯！聲音在氣體中最慢，在固體中最快。
錯誤 3：計算迴聲時忘記除以 2。聲音要去到表面再返回。
重點回顧
1. 聲音是由振動產生的。
2. 聲音需藉介質傳送，不能在真空中傳送。
3. 聲音的速度：固體 > 液體 > 氣體；在空氣中約 340 m/s。
4. 反射的聲音就是迴聲；蝙蝠和海豚利用迴聲定位。
5. 頻率（Hz）愈高 → 音調愈高；振幅愈大 → 聲音愈響。
6. 與聲源的距離愈遠，響度愈低。
做得好，小小聲音科學家！現在你知道聽到迴聲時到底發生了甚麼事。