声波（sound wave，acoustic wave）也称为弹性波，是机械振动或 气流 扰动引起周围弹性介质发生波动的现象，同时也是一种 机械波 。 声波可以在气体介质、液体介质及固体介质中传播，但不能在真空中传播。 声波的基本属性主要有 声压 、声强、 音速 、声阻抗 和声 阻率， 物理参数主要包括频率、波长和周期， 人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz（ 赫兹 ）至20kHz之间。
声音是人类最早研究的物理现象之一，在东西方，大家都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的 听觉 。对 声学 的系统研究是从17世纪初 伽利略 研究 单摆 周期和物体振动开始的， 1793年， 斯帕拉捷 （Lazzaro Spallanzani）发觉蝙蝠能在漆黑的夜空之中飞行，便得出了蝙蝠靠听觉辨别方向的结论， 最终他发现了 超声波 的存在。后来，人们根据机械振动波的频率将20000 赫兹 以上的称为超声波。 1957年，加夫雷奥（Gavreau）发现了“人耳听不到的声音”—— 次声波 。 到了20世纪50—60年代，人们已经制造出了超声波探伤仪、超声波测量仪、超声波加工机、 超声波清洗机 、超声波诊断和治疗仪，超声技术在生产、科研的许多方面得到迅速发展和广泛应用。
声波一般分为次声波、可听声波、超声波和 微波 超声波。 在工业上，利用超声波的穿透能力和反射，可以制成超声波探伤仪，用来探查多种类型钢材、高压容器、大小机械部件等的缺陷；农业上，运用 超声波 处理农业生产用的种子，能加速种子的发育生长，有利于增加 作物产量 ；医学上，在医疗诊断领域利用超声技术制成彩超、B超，或可对人体进行超声 碎石 、超声“开刀”等治疗。 此外， 次声波 还可以用来预测自然灾害性事件以及了解人体或其他生物相应器官的活动情况等等。
定义
声波是机械振动或 气流 扰动引起周围弹性介质发生波动的现象，声波也称为弹性波。
声波的定义有两种：一是弹性媒质中传播的压力、 应力 、 质点 位移、质点速度等的变化或几种变化的综合；二是声源产生振动时，迫使其周围的空气质点往复移动，使空气中产生附加的交变压力，这一压力波称为声波。产生声波的物体称为声源，传递振动的物质就叫做媒体或介质，声波所波及的空间范围称为 声场 。
根据声波波动过程的 物理性质 ，以及应用物理学中三个基本定律即 牛顿第二运动定律 、质量守恒定律以及描述 压强 、体积和温度等状态参数关系的物态 方程 ，建立的 声压 随 空间位置 和时间变化的数学表达式，可以推导出理想媒质中的声波方程为：
式中 ，表示直角坐标的 拉普拉斯算子 ； 表示 音速 。 另外需强调，该 方程 是 理想流体 媒质中的小振幅声波的 波动方程 。它是在忽略了二阶以上微量后求得的，故亦称线性声波动方程。
简史
声音是人类最早研究的物理现象之一，在东西方，大家都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的 听觉 。对 声学 的系统研究是从17世纪初 伽利略 研究 单摆 周期和物体振动开始的， 他在《两门新科学》中指出，音调的高低是由它的振动频率决定的，振动频率的比例关系是两个音的 相对高度 的原因。他还认识到弦的振动频率与弦的长度、 张力 和质量有关。
1636年，默森（Marin Mersenne）提出了弦线振动除基音以外还有 泛音 ，并具体测出了在已知距离内所看到的火枪的闪光和所听到的响声之间的时间差，从而得出了空气中的 音速 为每秒1380英尺。 1793年夏天， 斯帕拉捷 （Lazzaro Spallanzani）发觉蝙蝠能在漆黑的夜空之中飞行，便开始研究实验，发现蝙蝠堵住耳朵后，飞行四处碰壁。最后得出了蝙蝠靠 听觉 辨别方向的结论。 最终他发现了 超声波 的存在。后来，人们根据机械振动波的频率将20000 赫兹 以上的称为超声波。
1845年，布伊斯一巴洛特（Christaph Heinrieh Dietrich Buys-Ballot）在铁路边证明了波动理论同样适用于声波：当火车从远方驶来时汽笛声调变高，而当火车向远方驶去时汽笛声调变低。1866年， 德国 物理学家孔脱（August Kundt）设计出了“孔脱管”实验，在管子中撒上软木粉末，粉末将在波节处聚集，从而显示出 驻波 的存在，它非常直观地显示出声波是 纵波 。利用“孔脱管”可以测量声波在不同气体中的传播速度，也可以测量声波在各种不同固体中的传播速度、波长和频率。
1957年， 俄罗斯 加夫雷奥（Gavreau）接到指令在马赛市研发能打 核战争 的机器人，然而团队全体人员在研究过程中都患上了恶心呕吐的怪病。于是加夫雷奥对大楼进行了彻底检查，终于找到了症结所在，原来是一台靠马达驱动的空调在作怪，只要这台空调一关，怪病就会消失。由此，加夫雷奥发现了“人耳听不到的声音”—— 次声波 。
到了 第二次世界大战 时期，各国竞相研究和生产军用的 超声波 探测仪。自超声波被发现后，超声技术的发展开始是应用于军事及海洋方面，后用于二次世界大战的 反潜 以及海洋探测方面。到了20世纪50-60年代，人们已经制造出了超声波探伤仪、超声波测量仪、超声波加工机、 超声波清洗机 、超声波诊断和治疗仪，超声技术在生产、科研的许多方面得到迅速发展和广泛的应用。
分类
基本属性
声压
在单位面积的介质上所受到的压力，称为声压，用 表示。 声压计算公式为 ， 是 空气密度 ， 是 音速 ， 是空气 质点 的振动速度。
声压的大小反映了声波的强弱，单位是帕 ， 。由于声压容易被人耳感知，也易于测量，因此，通常使用声压作为描述声波大小的 物理量 。 声压的大小和传声介质中质点在声波作用下振动速度、介质的密度以及声波的传播速度有关。
树叶被微风吹动的响声 声压 约为 ；在房中大声说话的声压约为 。
声强
在单位时间内，在垂直于声波传播方向的单位面积上所通过的 声能 ，记为 。声强也可表述为通过与指定方向垂直的单位面积的平均声功率，公式为：
式中， 是声能所通过的面积（ ）， 是声功率。
声速
本质上讲，声速是介质中微弱 压强 扰动的传播速度，计算公式为：
在固体中， 纵波 、 横波 及表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。在固体中传播速度计算公式为：
式中， 是固体介质的 杨氏模量 ； 是固体介质的 泊松比 ； 是固体介质的 剪切 弹性模量 ； 是介质的密度。在气体、液体中传播速度计算公式为：
式中， ，称为体积弹性模量，体积 应力 除以体积应变就等于体积弹性模量。气体中 纵波 音速 约为 ，液体中纵波声速为 。
声阻抗
声阻抗是指媒质在 波阵面 某个面积上的 声压 与通过这个面积的体积速度 的 复数 比值，公式为
表示声波传导时介质位移需要克服的阻力。体积速度是穿过面积 的介质流动速度，声阻抗越大则推动介质所需要的声压就越大，声阻抗越小则所需声压就越小。
声功率
声功率是指声源在单位时间内向外辐射的 声能 ，单位为 或 ，又或者指单位时间内声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能。连续 超声波 的声功率一般在几毫瓦到几十千瓦；脉冲超声波的声功率为几分之一毫瓦到几兆瓦。与声压级相对应，声功率也存在声功率级。声功率级是声功率与参考声功率的相对量度，其计算公式为
式中， 中是测量的声功率； 是基准声功率。声功率是一个绝对量，只与声源有关，与其他无关，因此，它是声源的一个物理属性。
传播
传播介质
声波可以在气体介质、液体介质及固体介质中传播，但不能在真空中传播。声波借助各种介质向四面八方传播，其传播实质是能量在介质中的传递。
传播方式
声波的传播主要有三种方式，分别为 平面波 传播、球面波传播和 柱面 波传播。
声波的 波阵面 垂直于传播方向的传播方式被称为平面波传播。平面波在空气中传播的过程中， 声压 和 质点 速度同 相位 。在理想的媒介中，声压和质点速度不随距离的变化而变化。在 自由空间 中，当声源尺寸较相应的波长小很多时，远离声源处的 声场 一般可作为平面波来处理。
波阵面为同心球面的声波被称为球面波。对于球面波，离声源任意距离上的声强与距离的二次方成反比、声压与距离成反比、声压和振动速度之间的 相位差 与球面波的半径对波长的比值成反比。任何形状的声源，只要尺寸比波长小得多，都可以看作点声源辐射球面波处理。
波阵面 为同轴圆 柱面 的声波被称为柱面波。在柱面声波中， 声压 振幅沿轴向 均匀分布 ，沿径向与轴距的二次方根成反比；其径向声强与轴距成反比。通过的 动车 所辐射的噪声即为这种柱面波。
声波的反射和折射
当声波从一种介质传播到另一种介质时，其在两介质的分界面上将发生反射和折射，并满足波的 光的反射定律 和折射定律。 如下图所示，在两种介质的上，一部分能量反射回至原介质内的波，称反射波；另一部分能量则透过分界面，在介质内继续传播的波，称折射波。
反射定律
入射角 （ ）的 正弦 与反射角（ ）的正弦之比，等于波速之比。当 入射 波和反射波的波型一样时，波速一样，入射角即等于反射角。
折射定律
入射角（ ）的正弦与折射角（ ）的正弦之比。等于入射波中介质的波速 与折射波中介质的波速 之比。即 。
声波的衰减和吸收
衰减
声波在介质传播的过程中，随着传播距离的增加，能量逐渐减小的现象称为声波的衰减。 声波衰减与声波频率、传播介质结构及特性有关，因此，研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及特性。引起声波衰减的主要原因有以下三个：
扩散衰减
声波在传播过程中，由于波阵面的扩大（即波束发散），声波的能量随距离增加而逐渐减小的现象称为扩散衰减或几何衰减。声波的扩散衰减仅取决于 波阵面 的形状，与介质的性质无关， 柱面 、球面波阵面波几何衰减分别为 。
散射 衰减
声波传播过程中，遇到不同声阻抗介质组成的界面时，将发生散乱反射（散射），从而损耗声波能量，这种衰减称为散射衰减。散射主要在粗大 晶粒 （与波长相比）的界面上产生。由于晶粒排列不规则，声波在斜倾的界面上发生反射、折射及 波形 转换（统称散射），都会导致声波能量的损耗。
黏滞衰减
声波在介质中传播时，由于介质的黏滞性而造成 质点 之间的内壁摩擦，从而使一部分 声能 变为 热能 。由于介质的 热传导 ，介质的疏、密部分之间进行的 热交换 也会导致声波能量的损耗，这就是介质的吸收现象。由介质吸收引起的 衰减 称为黏滞衰减。
吸收
超声波 在人体内传播过程中，其振动能量会不断地被人体组织所吸收。造成人体组织吸收声波能量的机制有以下几种：
粘滞吸收
声波在媒质中传播时，进入振动的质点不可避免地要克服周围质点对它作用的粘滞阻力作功，从而要引起一部分声波能量的消耗。
热传导吸收
声波在弹性介质中传播，介质中的质元，迅速地作压缩和拉伸运动，因而所吸收的能量一部分将转换为热量，向四周传递，并且这种传递热量是一种不可逆过程，因此会造成部分声波能量的消耗。
弛豫吸收
声波在介质中传播，介质质元作 周期性 运动，从而引起介质周期性的压缩和拉伸。介质质元在这种周期性的压缩和拉伸作用下，引起介质内部分子运动（分子平动、振动和转动）状态的转换，并且这种状态转换也是不可逆过程。当分子从一个状态转换到另一个状态时需要消耗能量，而且这种状态的转换，不是瞬间能够完成的，而是需要一定的时间。这种介质内部分子运动对声波能量的吸收，即称为弛豫吸收。
声波的干涉
声波在媒质中传播时，媒质的质点随波而振动。倘若有两列或两列以上的声波同时传播到空间某点时，则该点的质点振动即是各列声波单独引起振动的 向量 和，这就是声波的干涉现象。如果它们的波峰和波谷完全同相，则互相加强，因此产生的波形的振幅高于任何单个波形的振幅。如果两个波形的波峰和波谷完全异相，则会相互抵消，导致完全没有波形。然而，在大多数情况下，各种声波会存在不同程度的异相，产生比单个波形更复杂的组合波形。 如果两个声波的密部和疏部同时抵达某处，这两个波将在该处相互抵消，使空气恢复平静，这样原来的声音将变的很弱，甚至听不清；如果一声波的密部（或疏部）遇见另一声波的密部（或疏部）则加强了空气的振动，使声音变得更强。
物理参数
振幅
任何物质的粒子离开其常态位置的最大位移称为振幅。声波的振幅越大，反映到我们耳朵的感觉就是声音越响，也就是音量越大，反之则越小。
周期
声波振荡一次循环所需要的时间，即声波传过一个波长的时间，或是一个完整的周期波通过波线上某一点所需的时间，称为周期（Period），记作 ，单位为 。
式中： — 角频率 ； —频率。
频率
频率是指每秒钟周期振动的次数。声波的频率也就是声音的频率。频率用f表示，其单位为 赫兹 ，每秒振动一周为 ，辅助单位为千赫 ， 。例如，440 Hz 波形每秒有 440 个周期。
声音的频率高，则声音尖、音调高；频率低，则声音沉、音调低。通常可将噪声分为高、中、低频3类，小于 的为低频声，在 的为中频声，大于1000Hz的为高频声。
相位
相位也可简称为“相”。一般来说， 相位 用来描述简谐振动（ 正弦 振动或 余弦 振动）在某一个瞬间的状态。由于声波来源于振动，所以声波也有相位问题。相位用“相位角 ”表示。如下图所示在一个波上的标示了一些点：A、B、C、D、E、F、G、H。其中A点对应于相位角0°，称为0°相；B点对应于相位角 45° ，称为45°相；C点对应于相位角90°，称为90°相；G点称为-90°相，等等。
由图可见，在声波传播的路径上，每隔一个波长的距离，其 相位 相同；而每经历半个波长则其 相位 相反（相位角的符号相反）。
波长
声波在一个周期中传播的距离，即同一波线上两个相邻的周期差为 底的 质点 之间的距离，就是一个完整波的长度，称为波长（Wavelength），记作 ，单位为 。波长、频率和声速之间的关系为
式中： — 音速 ， ； 一周期， 。
由上述关系可见，频率越高则波长越短，即波长同频率成反比。
应用
工业
超声波
截至2021年，工业生产用超声清洗是在 金属塑料 元器件、精密 电子 、航空器材等材料的 表面处理 方面最高效节能和绿色环保的技术手段。其中，超声焊接、超声钻孔、超声 切削 、超声抛光、超声凝聚、超声均化等实用技术也得到了广泛应用。
次声波
1.设备除灰：原理是将 压缩空气 的能量转化为次声波，利用次声波的频率振荡来为锅炉、 过热器 以及受热面等工业设备除灰。
2. 线材 控冷：在线材冷却过程中，可利用次声波所产生的相对高速脉冲 气流 来提高线材与周围环境的 热交换 效率，进而通过与周边恒定气流的结合可有效将热空气排出。
3.检查机器：机器零件因磨损导致的间隙不断改变，当超过一定限度，就会产生附加振动而发生一定频率的次声波。虽然人耳听不见，但可用次声波接收器来“收听”。
工程
工程建设用 超声检测 是一项应用相当广泛的非破坏性检测手段。利用 超声波 的穿透能力和反射，可以制成超声波探伤仪，用来探查多种类型钢材、高压容器、大小机械部件等的缺陷；也可以测量模量、厚度、硬度、黏度、温度、液位、流速、井下 地层 结构；还可以用于水下定位与通信、地下资源勘查等，比如在石油 勘探 中， 油井 的含油量可利用超声在油层中的 音速 估计出来，方便了石油资源的开采。
农业
用超声波处理农业生产用的种子，能加速种子的发育生长，有利于增加 作物产量 ；野生草药和发育困难的种子利用 超声波 处理后，具有特别明显的增加作物产量的作用，还能使种子诱变遗传，创造农作物新品种。
在 食品加工 中，超声 萃取 可大大提高水果蔬菜等汁液产量、质量和过滤速度；超声干燥对热敏性食品应用有很大潜力，可以提高湿气的去除率和干燥速度，并且被干燥的材料不会被破坏或吹走。
军事
超声波
国防军事中超声技术的研究和应用相当复杂和重要，已被划分到水 声学 领域。声呐技术在探测水中的 暗礁 和敌人的潜艇以及测量海水的深度等特殊领域中占有不可取代的地位。
次声波
利用次声波的强穿透性可以制造出能穿透坦克、装甲车的武器。
医学
超声波
医疗卫生用超声检查已逐渐成为诊断领域里非侵入性检查的主要方法之一。在医疗诊断领域利用超声技术制成彩超、B超得到了广泛应用，例如可对人体进行超声 碎石 、超声“开刀”等治疗，当贴着孕妇的肚皮进行扫描时，超声波到达各种身体组织的边界时会有不同程度的反射。接收器收到反射波，便可计算出反射的强度及反射面的距离，以分辨不同的身体组织，并得到胎儿的影像。
另外，多普勒超声波扫描术主要用于检查血液在心脏及主要动脉中的流动速度。血液的流动情况会以一种颜色的影像显示出来，不同的颜色代表不同的流速，这有助于医生及早发现胎儿的先天性心脏问题。
次声波
人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且人或其他生物的某些器官也会发出微弱的次声波，因此，可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。 例如，次声波诊疗仪可以检查人体器官工作是否正常。次声波会与人体发生生物 共振 ，研究发现可利用此特点研究对人体有利的次声波的应用。
自然预测
许多灾害性的自然现象，如火山爆发、 龙卷风 、 雷暴 、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就可以利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。 比如，台风和海浪摩擦产生的 次声波 ，由于其传播速度远快于风暴传播速度，所以可作为海洋风暴来临的“ 前奏曲 ”。这种次声波人耳无法听到，小小的 水母 对此却很敏感， 仿生学 家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了“水母耳”风暴预测仪，安装在舰船的前甲板上，能提前15h对风暴做出预报，对航海和 渔业 安全都有重要意义。