声学是研究声音的物理学。声音是一种能被耳朵感知的现象,是声压 p 在静态值 p0 上下的快速微小变化。这个静态值是大气压力 (约 10 万Pa)。人耳能够检测到的小压力变化幅度范围大约介于 2·10-5 Pa (听阈声压)到 20Pa (喷气发动机噪声)之间。正常声级的幅度约为 0.02 Pa。这里描述的幅度通常使用对数分贝(dB)刻度给出,相对于 2·10-5 Pa 的听阈值进行定义,单位为 dB SPL。
声压变化通常描述为随空间和时间变化的压力波的传播。波峰表示压力最大值,而波谷则表示压力最小值。
更通俗的说法是,流体被声源扰动时就能产生声音。我们以一个振动物体为例,比如音响系统中的扬声器纸盆。当低音扬声器纸盆产生非常低频的声音时,我们可以看到它在运动。当纸盆向前移动时,它会压缩前面的空气,从而使气压升高。然后,当它向后运动超过其静止位置时,会导致气压降低。这一过程不断持续,从而以声速辐射出高低压交替的波。
频率 f (SI 单位:Hz = 1/s)是每秒感知的振动次数 (压力峰值),波长 λ (SI单位:m)是两个波峰之间的距离。声速 c (SI 单位:m/s)是频率和波长的乘积 c = λf。
通常,我们可以很方便地定义波的角频率 ω(SI 单位:rad/s),即 ω= 2πf,并将频率与完整的 360°相移关联。
波数 k(SI 单位:rad/m)定义为 k = 2π/λ。波数即特定距离的波的数量,通常也定义为矢量 k,以便它还包含有关波的传播方向的信息,即 |k| = k。
通常,角频率 ω 与波数 k 之间的关系称为色散关系;对于简单的流体,可以表示为 ω/k = c。