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基础物理声学,是各分支的基础(图2)* W4 {& a+ Z( N9 F/ ]
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地渗入到物理学其他分支和其他科学技术领域(包括工农业生产)以及文化艺术领域中。图2表明现代声学的各分支和它们的基础以及同其他科学技术的关系。现代声学研究一直涉及声子的运动、声子和物质相互作用,以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性;所以声学既有经典性质,也有量子性质。
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图2的中心是基础物理声学,是各分支的基础。声也可以说是在物质媒质中的机械辐射。机械辐射的意思是机械扰动(媒质中质点的相对运动)在物质中的传播。中心圆外有两个同心环,各分作若干扇形。第一环中各扇形是声学的各个分支,外层中各扇形则是声学各分支的应用范围,这些范围的外面又分为分属各学科的五大类。人类的活动几乎都与声学有关,从海洋学到语言音乐,从地球到人的大脑,从机械工程到医学,从微观到宏观,都是声学家活动的场所。声学的边缘科学性质十分明显,边缘科学是科学的生长点,因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。# }9 ?$ M7 Q; y2 [' M6 ~# M
" G7 X/ Q4 i% \; k- q9 U4 H9 p 4声波) [6 g+ D* f Y( A5 C$ |
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在气体和液体中只有纵波(质点振动的方向与声波传播方向相同,见图3)。在固体中除了纵波以外,还可能有横波(质点振动的方向与声波传播的方向垂直),有时还有纵横波。声波场中质点每秒振动的周数称为频率,单位为赫(Hz)。现代声学研究的频率范围为10-4~1014Hz,在空气中可听声的波长(声速除以频率)为17mm~17m,在固体中,声波波长的范围则为10-11~107m,/ T. S9 }( ~8 c5 _& A
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在气体和液体中只有纵波(图3) u7 n" v: Y: {* J! v; A" _
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比电磁波的波长范围至少大一千倍。声学频率范围大致划分如表1。+ D t; k7 T7 _0 m- E
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声波的传播速度为式中E是媒质的弹性模量,单位为帕(Pa),ρ是媒质密度,单位为kg/m3。气体中E=γp,p是压力,单位是Pa。声在媒质中传播有损耗时,E为复数(虚数部分代表损耗),с也是复数,其实数部分代表传播速度,虚数部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关,测量后者可求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量、密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。测量声波传播的特性可以研究媒质的力学性质和几何性质,声学之所以发展成拥有众多分支并且与许多科学、技术和文化艺术有密切关系的学科,原因就在于此。) Q4 k- r, P& B
# v3 S/ B7 ?* V, ~4 Z. I/ g 声行波强度用单位面积内传播的功率(以W/m2为单位)表示,但是在声学测量中功率不易直接测量得,所以常用易于测量的声压表示。在声学中常见的声强范围或声压范围非常大,所以一般用对数表示,称声强级或声压级,单位是分贝(dB)。先选一个基准值,一个强度等于其基准值10000倍的声,声强级称40dB,强度1000000倍的声则强度级为60dB。声强I与声压p的关系是式中Zc是媒质的声特性阻抗,Zc=ρс。声压增加10倍,声强则增加100倍,分贝数增加20。所以声压为其基准值的100倍时,声压级是40dB。在使用声强级或声压级时,基准值必须说明。在空气中,ρс=400,声强的基准值常取为10-6W/m2,与这个声强相当的声压基准值为20μPa(即2×10-5N/m2),这大约是人耳在1000Hz所能听到的最低值。这时声强级与声压级相等(0dB)(这是在空气中,并选择了适当的基准值情况下)。. k7 v1 R3 K/ p, q& Y1 i. I0 o
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声学方法与光学方法的比较$ W8 E" p( S0 P! i1 R6 B y# d2 {
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声学分析方法已成为物理学三个重要分析方法(声学方法、光学方法、粒子轰击方法)之一。声学方法与光学方法(包括电磁波方法)相比有相似处,也有不同处。相似处是:声波和光波都是波动,使用两种方法时,都运用了波动过程所应服从的一般规律,包括量子概念(声的量子称为
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- W8 G1 ?$ t. H8 M) R, j 在固体中有纵波,有横波等1 S3 G' a: d0 D
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声子)。) h) O6 I& x5 s" {4 }
[% z0 `* c1 K* S; M0 K 不同处是:
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; p8 r, w5 F/ V! M5 {( {7 N( c1 W ①光波是横波,声波在气体中和液体中是纵波,而在固体中有纵波,有横波,还有纵横波、表面波等,情况更为复杂
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②声波比光波的传播速度小得多(在气体中约差百万倍,在液体和固体中约差十万倍);$ C$ O+ m2 P. O8 S Y( N
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③一般物体(固态或液态)和材料对光波吸收很大,但对声波却很小,声波在不同媒质的界面上几乎是完全反射。这些传播性质有时造成结果上的极大差别,例如在普通实验室内很容易验证光波的平方反比定律(光的强度与到光源的距离平方成反比),虽然根据能量守恒定律声波也应满足平方反比定律,但在室内则无法测出。因为室内各表面对声波来说都是很好的反射面,声速又比较小,声音发出后要反射很多次,在室内往返多次,经过很长时间(称为混响时间,严格定义见建筑声学)才消失。任何点的声强都是这些直达声和反射声互相干涉的结果,与距离的关系很复杂。这就是为什么直到1900年赛宾提出混响理论以前,人们对很多声学现象不能理解的原因。
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6声学领域
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9 J& ^; F8 H* A& [ 介绍与光学相似,在不同的情况,依据其特点,运用不同的声学方法。+ E9 [5 r% N& c9 U
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7波动声学: [+ K% n) P7 X5 S3 [$ n
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也称物理声学,是用波动理论研究声场的方法。在声波波长与空间或物体的尺度数量级相近时,必须用波动声学分析。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。在9 B& r; f/ S9 G) c, N
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明朝朱载堉于1584年提出平均律* { g% T+ ^8 _/ |
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关闭空间(例如室内,周围有表面)或半关闭空间(例如在水下或大气中,有上、下界面),反射波的互相干涉要形成一系列的固有振动(称为简正振动方式或简正波)。简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而形成的(注意到声波波长较大和速度小等特性)。
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0 g8 }3 e1 _ J/ x+ G 8.射线声学
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0 u) ^7 I- V7 E! h$ l0 Y( p 或称几何声学,它与几何光学相似。主要是研究波长非常小(与空间或物体尺度比较)时,能量沿直线的传播,即忽略衍射现象,只考虑声线的反射、折射等问题。这是在许多情况下都很有效的方法。例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时,都用声线概念
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9统计声学* t& M1 {- o o, l$ d0 h
3 V) z2 X; v. w" s 主要研究波长非常小(与空间或物体比较),在某一频率范围内简正振动方式很多,频率分布很密时,忽略相位关系,只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。赛宾公式就可用统计声学方法推导。统计声学方法不限于在关闭或半关闭空间中使用。在声波传输中,统计能量技术解决很多问题,就是一例。
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9 e: A% y9 Z$ z4 l* n$ J. _$ J 10仪器设备5 B7 I: Y( t G# z) Z( H6 u( r
5 j3 N2 N9 z$ C8 D7 w9 [ 20世纪以前,声源仅限于人声、乐器、音义和哨子。频率限于可听声范围内,可控制的声强范围也有限。接收仪器主要是人耳,有时用歌弧、歌焰作定性比较,电话上的接收器和传声器还很简陋,难于用作测试仪器。20世纪以后,人们把电路理论应用于换能器的设计,把晶体的压
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声学示意图
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& [/ J4 t8 G- v) c8 D 电性用于声信号和电信号之间的转换,以后又发展了压电陶瓷、驻极体等,并用电子线路放大和控制电信号,使声的产生和接收几乎不受频率和强度的限制。用半导体(如CdS)薄膜产生超声,用激光轰击金属激发声波等,使声频超过了可听声高限的几亿倍。次声频率可达每小时一周以下,声强可超过人耳所能接收高强声音的几千万倍。声功率也可超过人口所发声的1011倍。声学测量分析仪器也达到了高度准确的程度,以台式计算机(微型计算机)为中心的测试设备可完成多种测试要求,60年代需要几天才能完成的测试分析工作,用现代设备可能只要几分钟就可以完成。以前无法进行的测量工作(如声强、简正波等)现在也可以测量了。这些手段就给声学各分支的进一步发展创造了很好的条件。
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9 k6 u/ P: q8 r n 11实际应用0 n# D2 }! ^! L: f
f1 Y& \( u0 O& Z V0 | 利用对声速和声衰减测量研究物质特性已应用于很广的范围。测出在空气中,实际的吸收系数比19世纪G.G.斯托克斯和G.R.基尔霍夫根据粘性和热传导推出的经典理论值大得多,在 }$ d! N- V2 Z6 b% r# s, x, H y% d( O
) J% _: U0 t/ l# y5 d- I5 J 声学流程图
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液体中甚至大几千倍、几万倍。这个事实导致了人们对弛豫过程的研究,这在对液体以及它们结构的研究中起了很大作用(见声吸收)。对于固体同样工作已形成从低频到起声频固体内耗的研究,并对诸如固体结构和晶体缺陷等方面的研究都有很大贡献。2 j5 h1 g- D; g7 C! b' |! a
2 e6 }' [6 L! e# B 表面波、声全息、声成像、非线性声学、热脉冲、声发射、超声显微镜、次声等以物质特性研究为基础的研究领域都有很大发展。/ Q+ \5 R: _- Q- s2 e7 G
: z5 p0 Q3 G4 I- H9 t8 D 瑞利时代就已经知道的表面波,现已用到微波系统小型化发展中。在压电材料(如石英)上镀收发电极,或在绝缘材料(如玻璃)上镀压电薄膜都可以作成表面波器件。声表面波的速度只有电磁波的十万分之几,相同频率下波长短得多,所以表面波器件的特点是小,在信号存储上和信号滤波上都优于电学元件,可在电路小型化中起很大作用。" ~+ t9 G3 y1 b& c$ J0 ?4 F6 s
' B# @+ | }% i! w 声全息和声成像是无损检测方法的重要发展。将声信号变成电信号,而电信号可经过电子计算机的存储和处理,用声全息或声成像给出的较多的信息充分反应被检对象的情况,这就大大优于一般的超声检测方法。固体位错上的声发射则是另一个无损检测方法的基础。
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声波在固体和液体中的非线性特性可通过媒质中声速的微小变化来研究,应用声波的非线性特性可以实现和研究声与声的相互作用,它还用于高分辨率的参量声呐(见非线性声学)中。用热脉冲产生的超声频率可达到1012Hz以上,为凝聚态物理开辟了新的研究领域。1 X, O( W& N; U, b9 a
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次声学主要是研究大气中周期为一秒至几小时的压力起伏。火山爆发、地震、风暴、台风等自然现象都是次声源。研究次声可以更深入地了解上述这些自然现象。次声在国防研究上也有重要应用,可以用来侦察和辨认大型爆破、火箭发射等。大气对次声的吸收很小,比较大的火山爆发,氢弹试验等产生的次声绕地球几周仍可被收到,可用次声测得这些事件。固体地球内声波的研究已发展为地震学。' ?( L1 I8 H3 @. u) _# l
2 B' m# W; O1 D1 X 研究液氦中的声传播也很有意义。早在40年代,Л•Д•朗道就预计液氦温度低于λ点时可能有周期性的温度波动,后来将这种温度波称为第二声,而压力波为第一声。对第一声和第二声的研究又得到另外两种声:第三声超流态氦薄膜上超流体的纵波,第四声多孔材料孔中液氦中超流体内的压缩波。深入研究这些现象都已经成为研究液氦的物理特性尤其是量子性质的重要手段(见量子声学)。6 X$ S3 ]; k. X5 i$ u9 n6 Y7 n6 P
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声波可以透过所有物体:不论透明或不透明的,导电或非导电的,包括了其他辐射(如电磁波等)所不能透过的物质。因此,从大气、地球内部、海洋等宏大物体直到人体组织、晶体点阵等微小部分都是声学的实验室。近年来在地震观测中,测定了固体地球的简正振动,找出了地球内部运动的准确模型,月球上放置的地声接收器对月球内部监测的结果,也同样令人满意。进一步监测地球内部的运动,最终必将实现对地震的准确预报,从而避免大量伤亡和经济损失。. u7 W: \" w, R) _5 C
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