第255章 物理学之声学 中(1/2)

研究特点

&部分基础理论已比较成熟，这部分理论在经典声学中已有比较充分的发展。

&些基础理论和应用基础理论，或基础理论在不同实际范围内的应用问题研究得较多；

&常广泛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。

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。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。

声学-特性概念

在气体和液体中只有纵波。在固体中除了纵波以外，还可能有横波，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&&在空气中可听声的波长（声速除以频率在固体中，声**长的范围则为10&m，比电磁波的波长范围至少大一千倍。声波的传播速度为声学

式中e是媒质的弹性模量，单位为帕(pa)，p是媒质密度。单位为kg/m&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)。c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。

声行波强度用单位面积内传播的功率（以为单位）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的关系是声学

式中zc是媒质的声特性阻抗声压增加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。在空气中声强的基准值常取为10&这个声强相当的声压基准值为20μpa(即2x10n/m)，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)。

声学-研究方法

波动声学

也称物理声学。是用波动理论研究声场的方法。在声**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**长较大和速度小等特性）。

射线声学

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。

统计声学

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。

分支学科次声学、超声学、电声学、大气声学、音乐声学、语言声学、建筑声学、生理声学、生物声学、水声学、物理学、力学、热学、光学、电磁学、核物理学、固体物理学。

应用

科研应用

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..基尔霍夫根据粘性和热传导推出的经典理论值大得多，在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。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。

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。

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。

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