圖片：《天工開物》煉鐵篇(1637)(引自古今圖說網頁)。編撰劃時代東方百科《天工開物》的作者宋應星雖然在十七世紀最早敘述了聲波的概念。但卻沒有受到士人的重視。
作者：嚴融怡
聲音雖然甚早就被人們所注意，並且發展出音頻和音階等應用，但是將聲音真正以聲波來加以研究卻是甚晚的事情。十七世紀明朝的宋應星是世界上第一個將聲波以「波」來作敘述的人，在他的著作《論聲》中明確指出聲音是靠「波」來傳遞的。宋應星是東方一位劃時代的博物學者，他對各類領域都觀察甚微，所編著的《天工開物》更是當時集東方科技技術於大成的百科全書。但宋應星仕途不順，而後又遇到明清交替的時代動亂，他的書籍有多本亡佚，反而透過翻譯的流傳對外國的影響還比較大。約當與宋應星同一時期的波以耳(Robert Boyle)和皮埃爾·伽桑狄(Pierre Gassendi)也注意到聲音的傳遞問題。波以耳注意的是聲音傳遞的介質問題，比他稍早一些專研空氣壓力的托里切利(Evangelista Torricelli)曾經大膽提出聲音是以空氣為介質來傳遞的概念，並且甚早設計出真空罩鈴聲實驗裝置以試圖證明聲音無法在真空當中傳播。但因為當時真空條件的製造技術不成熟，因此無法成功。後來波以耳發明了抽氣機，並且重新將這個概念做了全新的測試，終於證明了聲音在真空狀態下無法傳遞的事實。此後，人們了解聲音是一種必須透過物質傳遞的波，而且在傳播速度為固體>液體>氣體。
圖片：波以耳所設計的空氣抽真空鈴鐺試驗與空氣重量試驗裝置(圖片引自維基共享資源)。
圖片：最早以加農砲射擊測定音速的皮埃爾·伽桑狄(Pierre Gassendi)(圖片引自維基共享資源)。
皮埃爾·伽桑狄(Pierre Gassendi)則是最早想要精確測量出音速數值的科學家。他在1635年設計了一個實驗，以一座大砲在距離自己1000公尺處準備發射，並告知點燃大砲的助手在聽見他的槍聲時展開砲擊。由於沒有顧及到兩邊的反應時間。因此皮埃爾所測量的音速487公尺/秒和實際音速相差甚多。皮埃爾·伽桑狄其實也是進入科學啟蒙時代之後，最早反對亞里斯多德學派壟斷各個學門的科學家之一，他致力於復興古希臘伊比鳩魯學派。雖然他在音速的測量上並不準確，但仍然在1631年出版了水星凌日的相關書籍。是對於當時科學啟蒙十分重要的科學家之一。
圖片：牛頓(圖片引自維基共享資源)。牛頓是初步發展音速公式的巨匠。
1864年，法國化學、物理學家亨利雷諾(Henri Victor Regnualt)設計了一個測量音速的自動儀器。那是一個外繞寬線條和包裝紙的旋轉圓筒，設置一支筆可在紙上畫線做記錄。筆桿連接電線，由電流操控，筆尖可在圓筒上兩個位首劃線，一個是通電時的位置，另一個是斷電的位置。筆經由兩條電路操控，一條電路設置在遙遠的槍口前，另一則通過圓筒附近感應膜片。實驗開始進行時，接通電流，圓筒旋轉，並使筆畫出線條。開槍時第一條電路會斷開，筆尖跳到第二個位置；一到二秒鐘過後，槍聲震動感應膜片，電流開始流通，筆跳回原位畫線。實驗結果得出不規則的畫痕。因圓筒旋轉速度已知，因此測量筆脫離原位所畫線長，就可計算得到槍聲傳到感應膜所需之時間，最後算出槍聲速度約為335公尺/秒。亨利雷諾的音速測試開啟了精準測量音速的序幕，距離現今所知乾燥條件下音速在海平面高度約為343.2公尺/秒已經非常接近了。
由於聲音需要經由介質傳遞，因此介質的密度越高，聲音傳播的速率越快，也因此空氣稀薄的高山與空氣密度相對較大的平地，聲音的傳遞速率自然不同。當溫度升高時，有助於提高空氣分子碰撞的機會，因此音速也會隨之提高。而濕度對音速也會有影響，聲音在濕度提升、多霧的天氣當中，由於空氣中的水分增加，也會提升聲音傳播的速率。
除了音速的實測，其實也有物理學家從音速的理論計算角度進行發展。波以耳定律曾指出在定量定溫下，理想氣體的體積與壓力成反比。牛頓基於波以耳定律在《自然哲學的數學原理》當中提出分析測定音速的方法。十八世紀拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)在與拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier)支持並發展熱質說的過程中，他也在熱質說的基礎上，在牛頓的音速公式中增加一個氣體的絕熱指數，此一常數修正了音速的理論預測值。拉普拉斯認為聲音傳播是一個熱力學絕熱過程(體系和外界沒有熱量傳遞)而並非牛頓所認為的等溫過程(體系溫度維持恆定)。爾後，從十八世紀晚期到整個十九世紀，物理學對於波動的研究正處在熱潮當中。在此期間，許多科學家和數學家注意到聲音傳遞的議題，其中包括法國數學家約瑟夫‧傅立葉(Joseph Fourier)，他發現振動弦產生的聲波只是周期性傳播的一系列波。
圖片：因斯特‧馬赫(引用自維基共享資源)
聲音的傳遞在自然界當然是很快的速度，但是物體的移動速率如果超越了聲音，那又會有怎樣的情形呢？十九世紀的因特斯‧馬赫(Ernest Mach)可說是這一方面概念很重要的啟發者。他變相預言了人類運輸工具的速率會超越音速的事實。因為他是最早發現波源在超音速氣流中會產生衝擊波的人。後來科學家藉由他的概念持續發展並強化了馬赫數(Mach Number)的運算(取名馬赫數也是為了紀念馬赫)。自從人類發明噴射機之後，飛行器具的航速超越了音速，也因此讓超音速的相關衝擊波計算上大大應用了馬赫數的相關公式。按照馬赫數的設定，小於1者為次音速，大於5左右為極音速；馬赫數是作為飛行的速度和當時飛行之音速的比值，大於1表示比音速快，小於1表示比音速慢。其公式如下： 馬赫數M= Vs/u；其中Vs為聲源的移動速率(像是噴射機這種產生波的來源)；u則代表聲波在介質的速率(如聲音在一般空氣中傳遞的速率)。這個公式還有其他不同的變形模式。超音波的研究至今仍是重要的顯學。除了在航空方面，超音波自1940年代以來也開始運用在醫學，包括利用超音波破壞帕金森氏症患者的部分基底神經節以及日益廣泛的物理治療、醫學診斷和復建醫學等等。聲波目前的相關研究並非僅只在地球本身，在研究太陽內部聲波壓力在太陽上的傳播也相當重要。因為這有助於我們了解太陽內部構造以及她的能量變動。這當中甚至牽涉到一門專門研究太陽振盪的學問─日震學(Helioseismology)。聲波的研究應用在現今生態學方面正日益重視的聲景研究、海洋聲學與生態研究(像是研究海洋噪聲所對海洋魚類和海洋哺乳動物聲音訊息傳遞的干擾)，或是農林漁牧方面的應用(像是利用聲波檢測鴨蛋外殼裂痕)
參考資料與延伸閱讀：
1.馬赫 <馬赫數的定名人> 江銘輝 五夢網 http://www.fivedream.com/page1.aspx?no=221270&step=1&newsno=26075
2.衝擊波（Shock Waves）與馬赫數（Mach Number） http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=19276
3.百科知識─熱質說 https://www.easyatm.com.tw/wiki/%E7%86%B1%E8%B3%AA%E8%AA%AA
4.利用聲波檢測鴨蛋外殼裂痕之研究 http://ir.lib.nchu.edu.tw/bitstream/11455/75848/1/147652-6.pdf
5.最初的音速測量 https://www.fox2008.cn/ebook/21szjy/TS013015/0006_ts013015.htm
6. 蝙蝠的超音波，藏了什麼訊息？ 聲景生態學 研之有物- 中央研究院 http://research.sinica.edu.tw/tuanmu-mao-ning-soundscape-ecology-bat/
7.明代著名科學家宋應星 《天工開物》─華夏經緯網 http://big5.huaxia.com/jxxy/zjxy/whmr/2010/04/1865036.html
8.日震學─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%A5%E9%9C%87%E5%AD%B8
9. 科學月刊: 聲景：最安靜的環境運動 http://scimonth.blogspot.com/2018/04/blog-post_60.html
10.波以耳抽氣實驗─國中理化教學資料庫 https://www.youtube.com/watch?v=TuneM6Lhmxk
11.A summary of the early development of Ultrasonics prior to the 1950s leading to medical applications http://www.ob-ultrasound.net/ultrasonics_history.html
12.The History of Sound Waves https://musicalsoundwaves.wordpress.com/the-history-of-sound-waves/
13.格瑞姆‧唐諾(Graeme Donald)著，薛浩然 譯，《我們如何丈量世界》，三采文化股份有限公司發行。
14.簡麗賢 著，《木星上的炸薯條最好吃？》，幼獅文化發行。
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