聲音的共振–共鳴（Acoustic Resonance）

聲音的共振–共鳴（Acoustic Resonance）
國立彰化高級中學物理科劉翠鵑老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

共鳴是指發聲體受到其固有頻率（或稱共振頻率）的外力驅動時，會比被其他頻率外力驅動時吸收更多能量。共鳴就是振動頻率在人聽覺範圍內（頻率是介於20Hz～20000Hz之間）的共振現象。一般而言，聲音的共振體會有一個以上的共振頻率，尤其頻率是最低頻整數倍（通常把這樣頻率的聲音稱為諧音）共振強度最強。亦即當一個含各種頻率的波動（例如：脈衝波、噪音等）傳至共振體，共振體會過濾掉除了共振頻以外的頻率。大多數的樂器在製造時，皆須考慮到共鳴的效應。透過共鳴箱的設計，可以使振動的空氣量增加，例如：小提琴或吉他的音箱。
弦樂器中，如：如琵琶，豎琴，吉他，鋼琴，小提琴等，弦在張緊的情況下也有所謂的共振頻，而且這些弦樂器的共振頻是由弦的質量、長度與弦張力決定的。產生第一共振頻（即最低頻，也稱基頻或基音）的波長恰為弦長的兩倍，至於其他更高共振頻（也稱泛音）的波長則是基頻波長的整數倍分之一。這些對應的共振頻與弦波波速有關，如（1）式 其中 L 是弦長（兩端固定的弦）， N ＝ 1，2，3…
至於弦波或繩波波速 v 則與張力 T 和單位長度的質量 ρ 有關，如（2）式 

則共振頻率  其中 M 是弦的總質量

張力愈大或弦長愈短可使共振頻率愈大。用手彈一下弦或用錘敲打產生一脈衝波在弦上傳播時，弦將會以各種頻率振動（脈衝波是由各種頻率的正弦波疊加而成的），但其中不是弦共振頻率的部分很快就會衰減，最後剩下的頻率才是傳到我們耳朵的聲音。此外，當某一弦發出聲音時可能會引發其他弦以其共振頻（基頻或更高頻）開始振動。例如：基頻440Hz的A弦振動時會引發基頻330Hz的E弦共振，因為兩弦同時有1320Hz的共振頻（A弦的第三諧音或第二泛音，E弦的第四諧音或第三泛音）。

至於空氣管的共鳴，則與管子的長度、形狀以及管子兩端開閉與否有關。將一端開一端閉的空氣管稱為閉管，兩端皆開的空氣管稱為開管。管樂器中空氣管形狀通常是錐狀或圓柱狀，例如：長笛是圓柱狀的開管，單簧管和銅管樂器則是圓柱狀的必管，至於薩克斯風、雙簧管及Bassoon管則是錐狀的閉管。
空氣柱的振動跟琴弦一樣是以諧頻共振。

對於圓柱狀開管的共振頻率 其中 N 為正整數（1，2，3…），如下圖（二）所示
對應不同的駐波模式， L 代表空氣管的長度， v  代表空氣中的聲速（20℃ 的海平面聲速大約是 343m/s ）
若要更準確的關係式，則應考慮管口的修正量（1860年H. von Helmholtz 詳盡地討論了管口修正的問題）

圓柱狀開管的共振頻率修正為 ，其中 d 代表共振管的內徑。
此關係式說明了一個重要結論，空氣管開口端邊緣並非零聲壓，故聲波在開口端的反射位置不會恰好在管子的邊緣，而是由管邊緣向外延伸一小段距離的位置。當聲波傳到共振管的開口端時，其反射率略小於1。亦即開口端的聲阻抗不完全等於零，而是一個有限值（稱為輻射阻抗），且此阻抗與管徑、聲波波長及管口的樣式有關。

對於圓柱狀閉管的共振頻率 其中 N 為奇數（1，3，5…），如下圖（三）所示
這種管子只有奇數的共振頻，而且它的基頻大小是相同管長的開管基頻之半。若考慮管口的修正，圓柱狀閉管的共振頻率為

參考資料：
1.維基百科–共鳴  http://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic_resonance

圖片來源：
http://www.physics.umd.edu/lecdem/misc/phys102/PH102chap03.ppt