聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)
聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)
聲學(xué)是物理學(xué)分支學(xué)科之一，是研究媒質(zhì)中機(jī)械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的科學(xué)。媒質(zhì)包括物質(zhì)各態(tài)(固體、液體和氣體等)，可以是彈性媒質(zhì)也可以是非彈性媒質(zhì)。以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于聲學(xué)知識(shí)的內(nèi)容，希望大家喜歡!
聲學(xué)的領(lǐng)域
介紹
與光學(xué)相似，在不同的情況，依據(jù)其特點(diǎn)，運(yùn)用不同的聲學(xué)方法。
波動(dòng)
也稱物理聲學(xué)，是用波動(dòng)理論研究聲場(chǎng)的方法。在聲波波長(zhǎng)與空間或物體的尺度數(shù)量級(jí)相近時(shí)，必須用波動(dòng)聲學(xué)分析。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現(xiàn)象。在關(guān)閉空間(例如室內(nèi)，周圍有表面)或半關(guān)閉空間(例如在水下或大氣中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振動(dòng)(稱為簡(jiǎn)正振動(dòng)方式或簡(jiǎn)正波)。簡(jiǎn)正方式理論是引用量子力學(xué)中本征值的概念并加以發(fā)展而形成的(注意到聲波波長(zhǎng)較大和速度小等特性)。
射線
或稱幾何聲學(xué)，它與幾何光學(xué)相似。主要是研究波長(zhǎng)非常小(與空間或物體尺度比較)時(shí)，能量沿直線的傳播，即忽略衍射現(xiàn)象，只考慮聲線的反射、折射等問題。這是在許多情況下都很有效的方法。例如在研究室內(nèi)反射面、在固體中作無損檢測(cè)以及在液體中探測(cè)等時(shí)，都用聲線概念。
統(tǒng)計(jì)
主要研究波長(zhǎng)非常小(與空間或物體比較)，在某一頻率范圍內(nèi)簡(jiǎn)正振動(dòng)方式很多，頻率分布很密時(shí)，忽略相位關(guān)系，只考慮各簡(jiǎn)正方式的能量相加關(guān)系的問題。賽賓公式就可用統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法推導(dǎo)。統(tǒng)計(jì)聲學(xué)方法不限于在關(guān)閉或半關(guān)閉空間中使用。在聲波傳輸中，統(tǒng)計(jì)能量技術(shù)解決很多問題，就是一例。
分支
可以歸納為如下幾個(gè)方面：
從頻率上看，最早被人認(rèn)識(shí)的自然是人耳能聽到的“可聽聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語言、音樂、房間音質(zhì)、噪聲等，分別對(duì)應(yīng)于語言聲學(xué)、音樂聲學(xué)、房間聲學(xué)以及噪聲控制;另外還涉及人的聽覺和生物發(fā)聲，對(duì)應(yīng)有生理聲學(xué)、心理聲學(xué)和生物聲學(xué);還有人耳聽不到的聲音，一是頻率高于可聽聲上限的，即頻率超過20000Hz的聲音，有“超聲學(xué)”，頻率超過500MHz的超聲稱為“特超聲”，當(dāng)它的波長(zhǎng)約為10-8m量級(jí)時(shí)，已可與分子的大小相比擬，因而對(duì)應(yīng)的“特超聲學(xué)”也稱為“微波聲學(xué)”或“分子聲學(xué)”。超聲的頻率還可以高1014Hz。二是頻率低于可聽聲下限的，即是頻率低于20Hz的聲音，對(duì)應(yīng)有“次聲學(xué)”，隨著次聲頻率的繼續(xù)下降，次聲波將從一般聲波變?yōu)?ldquo;聲重力波”，這時(shí)必須考慮重力場(chǎng)的作用;頻率繼續(xù)下降以至變?yōu)?ldquo;內(nèi)重力波”，這時(shí)的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10-4Hz。需要說明的是，從聲波的特性和作用來看，所謂20Hz和20000Hz并不是明確的分界線。例如頻率較高的可聽聲波，已具有超聲波的某些特性和作用，因此在超聲技術(shù)的研究領(lǐng)域內(nèi)，也常包括高頻可聽聲波的特性和作用的研究。
從振幅上看，有振幅足夠小的一般聲學(xué)，也可稱為“線性(化)聲學(xué)”，有大振幅的“非線性聲學(xué)”。
從傳聲的媒質(zhì)上看，有以空氣為媒質(zhì)的“空氣聲學(xué)”;還有“大氣聲學(xué)”，它與空氣聲學(xué)不同的是，它主要研究大范圍內(nèi)開闊大氣中的聲現(xiàn)象;有以海水和地殼為媒質(zhì)的“水聲學(xué)”和“地聲學(xué)”;在物質(zhì)第四態(tài)的等離子體中，同樣存在聲現(xiàn)象，為此，一門尚未成型的新分支“等離子體聲學(xué)”正應(yīng)運(yùn)而生。
從聲與其它運(yùn)動(dòng)形式的關(guān)系來看，還有“電聲學(xué)”等等。
聲學(xué)的分支雖然很多，但它們都是研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的，這是它們的共性。只不過是與不同的領(lǐng)域相結(jié)合，研究不同的頻率、不同的強(qiáng)度、不同的媒質(zhì)，適用于不同的范圍，這就是它們的特殊性。
區(qū)別
聲學(xué)方法與光學(xué)方法的比較
聲學(xué)分析方法已成為物理學(xué)三個(gè)重要分析方法(聲學(xué)方法、光學(xué)方法、粒子轟擊方法)之一。聲學(xué)方法與光學(xué)方法(包括電磁波方法)相比有相似處，也有不同處。相似處是：聲波和光波都是波動(dòng)，使用兩種方法時(shí)，都運(yùn)用了波動(dòng)過程所應(yīng)服從的一般規(guī)律，包括量子概念(聲的量子稱為聲子)。
不同處是：
?、俟獠ㄊ菣M波，聲波在氣體中和液體中是縱波，而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為復(fù)雜。
②聲波比光波的傳播速度小得多。(在氣體中約差百萬倍，在液體和固體中約差十萬倍)
?、垡话阄矬w(固態(tài)或液態(tài))和材料對(duì)光波吸收很大，但對(duì)聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)的界面上幾乎是完全反射。這些傳播性質(zhì)有時(shí)造成結(jié)果上的極大差別，例如在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很容易驗(yàn)證光波的平方反比定律(光的強(qiáng)度與到光源的距離平方成反比)，雖然根據(jù)能量守恒定律聲波也應(yīng)滿足平方反比定律，但在室內(nèi)則無法測(cè)出。因?yàn)槭覂?nèi)各表面對(duì)聲波來說都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發(fā)出后要反射很多次，在室內(nèi)往返多次，經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間(稱為混響時(shí)間，嚴(yán)格定義見建筑聲學(xué))才消失。任何點(diǎn)的聲強(qiáng)都是這些直達(dá)聲和反射聲互相干涉的結(jié)果，與距離的關(guān)系很復(fù)雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對(duì)很多聲學(xué)現(xiàn)象不能理解的原因。
聲學(xué)的實(shí)際應(yīng)用
應(yīng)用
利用對(duì)聲速和聲衰減測(cè)量研究物質(zhì)特性已應(yīng)用于很廣的范圍。測(cè)出在空氣中，實(shí)際的吸收系數(shù)比19世紀(jì)G.G.斯托克斯和G.R.基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導(dǎo)推出的經(jīng)典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬倍。這個(gè)事實(shí)導(dǎo)致了人們對(duì)弛豫過程的研究，這在對(duì)液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用(見聲吸收)。對(duì)于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內(nèi)耗的研究，并對(duì)諸如固體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻(xiàn)。
表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學(xué)、熱脈沖、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。
瑞利時(shí)代就已經(jīng)知道的表面波，現(xiàn)已用到微波系統(tǒng)小型化發(fā)展中。在壓電材料(如石英)上鍍收發(fā)電極，或在絕緣材料(如玻璃)上鍍壓電薄膜都可以作成表面波器件。聲表面波的速度只有電磁波的十萬分之幾，相同頻率下波長(zhǎng)短得多，所以表面波器件的特點(diǎn)是小，在信號(hào)存儲(chǔ)上和信號(hào)濾波上都優(yōu)于電學(xué)元件，可在電路小型化中起很大作用。
聲全息和聲成像是無損檢測(cè)方法的重要發(fā)展。將聲信號(hào)變成電信號(hào)，而電信號(hào)可經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應(yīng)被檢對(duì)象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測(cè)方法。固體位錯(cuò)上的聲發(fā)射則是另一個(gè)無損檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。
聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質(zhì)中聲速的微小變化來研究，應(yīng)用聲波的非線性特性可以實(shí)現(xiàn)和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶(見非線性聲學(xué))中。 用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達(dá)到1012Hz以上，為凝聚態(tài)物理開辟了新的研究領(lǐng)域。
次聲學(xué)主要是研究大氣中周期為一秒至幾小時(shí)的壓力起伏?；鹕奖l(fā)、地震、風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)等自然現(xiàn)象都是次聲源。研究次聲可以更深入地了解上述這些自然現(xiàn)象。次聲在國(guó)防研究上也有重要應(yīng)用，可以用來偵察和辨認(rèn)大型爆破、火箭發(fā)射等。大氣對(duì)次聲的吸收很小，比較大的火山爆發(fā)，氫彈試驗(yàn)等產(chǎn)生的次聲繞地球幾周仍可被收到，可用次聲測(cè)得這些事件。固體地球內(nèi)聲波的研究已發(fā)展為地震學(xué)。
研究液氦中的聲傳播也很有意義。早在40年代，Л·Д·朗道就預(yù)計(jì)液氦溫度低于λ 點(diǎn)時(shí)可能有周期性的溫度波動(dòng)，后來將這種溫度波稱為第二聲，而壓力波為第一聲。對(duì)第一聲和第二聲的研究又得到另外兩種聲：第三聲超流態(tài)氦薄膜上超流體的縱波，第四聲多孔材料孔中液氦中超流體內(nèi)的壓縮波。深入研究這些現(xiàn)象都已經(jīng)成為研究液氦的物理特性尤其是量子性質(zhì)的重要手段(見量子聲學(xué))。
聲波可以透過所有物體：不論透明或不透明的，導(dǎo)電或非導(dǎo)電的，包括了其他輻射(如電磁波等)所不能透過的物質(zhì)。因此，從大氣、地球內(nèi)部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點(diǎn)陣等微小部分都是聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。近年來在地震觀測(cè)中，測(cè)定了固體地球的簡(jiǎn)正振動(dòng)，找出了地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模型，月球上放置的地聲接收器對(duì)月球內(nèi)部監(jiān)測(cè)的結(jié)果，也同樣令人滿意。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，從而避免大量傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。
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