國二理化｜聲音的三特性、回聲與超聲波：響度、音調、音色一次搞懂

聲音這個單元，考題幾乎都繞著三件事轉：聲音的三種特性、聲音碰到障礙物會反射、用反射回來的時間算距離。把這三件事的「對應關係」記牢，大部分選擇題都能直接判斷。

先複習：聲速跟溫度有關

空氣中的聲速會隨溫度變化，課本給的公式是：

聲速 v ＝ 331 ＋ 0.6T（公尺／秒，T 是攝氏溫度）

331 是 0°C 時的聲速，溫度每升高 1°C，聲速增加 0.6 公尺／秒。

例題：氣溫 15°C，河寬 68 公尺，對岸的人多久聽到你唱歌？

• 聲速 ＝ 331 ＋ 0.6 × 15 ＝ 340 公尺／秒
• 時間 ＝ 距離 ÷ 速率 ＝ 68 ÷ 340 ＝ 0.2 秒

另外記得：聲音在固體中最快、液體次之、氣體最慢。同一種介質裡，不管是誰發出的聲音、音高多高，聲速都一樣。所以舞台上歌聲、鼓聲、吉他聲同時發出，會同時傳到最後一排。

聲音的三特性：一張對照表背起來

這張表是整個單元最常考的地方。

響度：看振幅

振幅越大，代表能量越大，聲音越大聲。敲得越用力、撥得越用力，振幅就越大。

聲音傳得越遠，能量一路消耗，響度就越小——所以離音源越遠聽起來越小聲。

響度的單位是分貝（dB）。分貝的特色是「每增加 10 分貝，能量變成 10 倍」：增加 20 分貝是 100 倍，增加 30 分貝是 1000 倍。

示波器怎麼判斷：兩個波形在同樣的畫面寬度裡波的個數一樣（頻率相同），但一個起伏比較高，就是音調相同、響度不同。

音調：看頻率

頻率是每秒振動的次數，單位是赫茲（Hz）。振動越快，頻率越高，音調越高。

換算時要小心單位：赫茲是「每秒」幾次。如果題目說「每分鐘振動 600 次」，要先換成每秒：600 ÷ 60 ＝ 10 Hz。

**發音體越「輕、薄、短、小、細、緊」，音調越高。**用樂器來記：

• 弦樂器（吉他、小提琴）：弦越細、越短、拉得越緊，音越高。
• 管樂器（直笛、口風琴）：空氣柱越短，音越高。直笛最低的音要把所有孔都按住，就是讓空氣柱最長。
• 打擊樂器（鼓）：鼓皮越薄，音越高。

常見陷阱：「撥弦撥得比較快」不會讓音調變高。撥得快只是一秒內發出的聲音次數變多，弦本身振動的頻率沒有變。「撥得用力」改變的是響度，也不是音調。

試管與水的實驗：在試管裡裝不同高度的水，用嘴吹的時候，發聲的是管內的空氣柱——水越多、空氣柱越短，音越高。

音色：看波形

每個人、每種樂器的波形都不一樣，所以閉著眼睛也聽得出是鋼琴還是小提琴、是誰在講話。昂貴的小提琴聲音特別優美，差別也在音色。

音色是發音體本身決定的，響度和音調可以調，音色基本上沒辦法改變。電影裡的聲紋辨識，辨認的就是音色（波形）。

純音：音叉發出的聲音只有單一頻率，波形是最簡單的週期波，所以常拿來調音。一般樂器和人聲則是許多不同頻率的波疊加起來的。

共鳴：頻率相同才會發生

兩個物體的振動頻率相同時，一個振動會帶動另一個一起振動，這就是共振（發出聲音時叫共鳴）。

• 兩支相同的音叉，敲響其中一支後靠近另一支，另一支也會跟著發聲。
• 演唱會的重低音喇叭讓人覺得「胸口跟著震」，也是類似的現象。

噪音：聽了不舒服就是噪音

噪音的判斷其實很主觀：讓人覺得不舒服的聲音就是噪音。用示波器看，噪音的波形通常沒有規律；樂音的波形有規律。就算是好聽的音樂，音量太大一樣會變成噪音。

噪音對健康的影響：長時間在 70 分貝以上的環境會心情煩躁，85 分貝以上可能造成聽力受損。飛機起降可以超過 120 分貝，所以機場地勤人員一定戴耳罩。

防治方法：從音源減少、在傳播途中阻隔（高速公路旁的隔音牆）、在接收端保護（耳罩、耳塞）。

聲音的反射與回聲

聲音碰到障礙物會反彈回來，這就是反射；聽到的反射聲叫回聲。

反射定律

入射角 ＝ 反射角

注意：入射角和反射角都是跟法線（垂直於反射面的假想線）的夾角，不是跟反射面的夾角。這點到高中都還會考。

回聲要多遠才聽得出來

回聲和原聲要相隔 0.1 秒以上，人耳才分得出是兩個聲音。以聲速 340 公尺／秒計算，聲音來回要走 34 公尺，所以障礙物要在 17 公尺以外才聽得到明顯回聲。

距離太近時，回聲跟原聲疊在一起，聽起來只是比較響亮——這就是在浴室唱歌比較好聽的原因。

回聲改變了什麼、沒改變什麼

回聲的利用與避免

• 想要回聲：光滑堅硬的表面容易反射聲音。聽診器、傳聲筒利用聲音在管內反覆反射傳遞；露天音樂台舞台後方的弧形板把聲音反射給台下觀眾。
• 不想要回聲：音樂廳、錄音室在牆上掛絨布、裝吸音板、把牆面做成凹凸不平，讓聲音被吸收或分散。把空間加大反而會讓回聲更明顯。

超聲波與次聲波

人耳聽得到的頻率大約是 20～20000 Hz。

• 低於 20 Hz：次聲波。蝴蝶拍翅膀的頻率太低，所以聽不到。
• 高於 20000 Hz：超聲波（超音波）。蝙蝠、海豚用它來定位和溝通。

常見陷阱：超聲波只是頻率比較高，在空氣中的傳播速率跟一般聲音一樣。頻率影響音調，不影響聲速。

超聲波的應用：

• 醫學：產檢看胎兒（超音波影像）、用高能量聲波把體內結石震碎後隨尿液排出。
• 生活：眼鏡行的超聲波清洗機。
• 探測：聲納測海深、找魚群、找潛艇；汽車的倒車雷達也是發出超聲波、接收反射來判斷後方障礙物，原理跟蝙蝠一樣。
• 不是超聲波的：自動門的感應器多半是紅外線。

聲納測距：記住「來回要除以 2」

聲納的原理就是速率公式：距離 ＝ 速率 × 時間。

但聲納收到回聲的時間是去程加回程，所以：

距離 ＝ 聲速 × 時間 ÷ 2

不需要另外背公式，只要腦中有「聲音去了又回來」的畫面就好。

例題一：對著山壁喊話

氣溫 15°C，對山壁喊話後 0.4 秒聽到回聲，距離山壁多遠？

• 聲速 340 公尺／秒，聲音來回走了 340 × 0.4 ＝ 136 公尺
• 單趟距離 ＝ 136 ÷ 2 ＝ 68 公尺

例題二：空氣和水兩段速率不同

直升機離水面 68 公尺，向下發出聲波，0.6 秒後收到水中潛艇反射的回聲。空氣中聲速 340、水中 1500 公尺／秒，潛艇在水面下多深？

1. 空氣中單趟：68 ÷ 340 ＝ 0.2 秒，來回 0.4 秒
2. 水中來回時間：0.6 − 0.4 ＝ 0.2 秒，單趟 0.1 秒
3. 水中深度：1500 × 0.1 ＝ 150 公尺

重點：兩段速率不同，就分兩段算，再把時間加起來。

例題三：發聲的同時自己也在動

海豚以 20 公尺／秒前進，同時發出超聲波，0.8 秒後收到前方障礙物的回聲。水中聲速 1500 公尺／秒，發聲時距離障礙物多遠？

• 海豚前進：20 × 0.8 ＝ 16 公尺
• 聲音走的路程：1500 × 0.8 ＝ 1200 公尺
• 聲音的路程加上海豚前進的距離，剛好是「發聲點到障礙物」的兩倍：(1200 ＋ 16) ÷ 2 ＝ 608 公尺

同樣的題型換成火車也一樣：火車以 8 公尺／秒駛向隧道並按喇叭，10 秒後聽到回聲，聲速 340 公尺／秒。按喇叭時距離隧道 (340 × 10 ＋ 8 × 10) ÷ 2 ＝ 1740 公尺。

畫圖是關鍵：用一條線代表聲音走的路徑、另一條代表移動物體走的路徑，題目就只剩速率乘時間。

重點整理

1. 響度看振幅、音調看頻率、音色看波形。
2. 發音體越輕薄短小細緊，音越高；管樂器看空氣柱長短。
3. 共鳴的條件是頻率相同。
4. 入射角＝反射角，角度是跟法線的夾角。
5. 回聲：頻率、聲速不變，響度變小；障礙物要 17 公尺以外才聽得到明顯回聲。
6. 人耳範圍 20～20000 Hz；超聲波頻率高但聲速不變。
7. 聲納：距離 ＝ 聲速 × 時間 ÷ 2；兩段速率不同就分段，物體自己也在動就把移動距離加進去。