2013年9月10日 星期二

聲音的反射 Reflection of Sound ( 搬家文 move from yahoo blog , Day 7 )

(本篇圖文資料取材自 Hyperphysics  Reflection of Sound 等文)

聲音的反射(reflection,依循著「入射角等於反射角」(angle of incidence equals angle of reflection)的規則,有時候稱做「反射定律(law of reflection」。相同的行為在光和其他波上,還有撞球在桌台邊的反彈也可以發現。反射波可以介入入射波,產生「建設性 constructive)」和「破壞性(destructive)」干涉(interference)。 這會在空間引起稱為 「駐波(standing waves)」的共振。 它也意味著靠近堅硬表面的聲音強度(sound intensity)會增加,因為反射波加進入射波裡了,使得壓力強度在靠近表面那一層薄薄的「壓力區(pressure zone)」變成兩倍。

這個原理應用在PZMpressure zone microphones)麥克風中,藉以提高靈敏度。兩倍的壓力可以讓麥克風增加 6 dB 的聲音拾取。細繩(strings)與空氣管(air columns)中波的反射,是這些系統產生共振駐波不可或缺的條件。

 


壓力區  Pressure Zone

這裡試圖用和傳遞聲音能量有關的空氣分子(air molecules)的動態,來想像壓力區pressure zone的現象。空氣分子因為熱能 thermal energy)不停地在運動著,而能量來自大氣壓力(atmospheric pressure)。與聲音傳遞有關的能量,與全部能量相比非常的小。 如果將圖中的速度向量(velocity vectors),想像成是縱向波 longitudinal wave)中與聲音傳遞有關的額外能量,那麼可以主張速度向量的水平分支,在碰撞牆壁之後會剛好反轉。假設這種碰撞是有彈性的(elastic),碰撞過程沒有能量損失。

 

將碰撞分子的集合視為流體(fluid),我們可以引出一個想法,流體的內部壓力是能量密度 energy density)的一種度量。反彈回來的分子能量,加到非常靠近向著牆壁而來的分子上,有效地讓能量密度倍增,聲波壓力也倍增。


反射的相位改變  Phase Change Upon Reflection

堅硬表面反射聲波的相位,和細繩(string)兩端波的反射,決定了入射波與反射波之間,是建設性(constructive)還是破壞性(destructive)的干涉(interference)。對細繩波而言,繩兩端存在相位反轉,這在細繩產生共振(resonance)上扮演重要角色。因為反射波與入射波行進方向相反而互相重疊,傳播的樣貌消失,結果導致的振動稱為駐波(standing wave)。

當聲波在空氣(壓力波)中遇到堅硬表面,反射時相位不會改變。也就是說,當聲波的「高壓」部份撞到牆壁(wall),它反射的還是「高壓」,而不是相反的相位 - 也就是「低壓」。記住,當我們討論到有關聲波的壓力時, 一個「正(positive)」的或者「高」壓,指的是高於環境大氣壓力的壓力;而一個「負 negative)」的或者「低」壓,指的是低於大氣壓力的壓力。而「牆壁(wall)」用來描述有著比空氣較高「聲阻(acoustic impedance)」的情況,當波遭遇到高聲阻的介質時,反射的相位不變

另外一方面,聲波在固態(solid)中穿透空氣邊界(air boundary),反射回固態的壓力波,會經歷相位反轉高壓部份反射成為低壓區。所以,從低阻抗介質的反射,相位會相反
除了在壓力區證明(反射)它自己的存在之外,反射的本質也促成在空間(rooms)中和製作樂器的空氣管(air columns)中形成駐波。

 

會導致只有在一端產生相位改變,而不會在另一端發生的情況,也可以被想像成一條細繩,鬆脫的一端被迫只能橫向地(transverse)向另一端移動。鬆脫端代表較小有效阻抗的介面,對橫向波(transverse wave)不會有相位的改變。在很多方面,細繩與空氣管剛好是彼此相反的


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