本科生科研指南（35）：声波反射和耗散

张宇宁

华北电力大学（北京）

在医院中，同学们经常可以看到B超等基于声波的临床检测仪器。在诊断过程中，医生用B超便可以很方面地对内脏等器官进行医学检查，从而及时发现病变并对症治疗。在检查的过程中，医生通常还会在患者的相应待检查的部位涂抹一层油状的液体。这一期我们便来聊一聊声波的一些特性及其在传播过程中因反射、耗散带来的能量变化。

首先，我们先探讨一下理想情况下的声波传播。假设你在某处说了一句话，发出了一股声波，这股声波在理想情况下会一直传播下去。在声波的传播过程中，为了方便说明，假设中间没有任何的障碍物也不存在任何衰减。按照流体力学的基本理论，这股声波应该可以到达很远的地方，但实际上可能并非如此。我们先分析一下上述现象的原因到底是什么。首先，我们假设发出该声音的同学在空间中可以被看作是一个点源。相比与我们所要研究的声波所传播的距离，这个假设基本是合理的。另外，我们不考虑声波传播的方向性，认为该声波的传播是各向同性的。那么，我们便会看到一个类似于球形的波在不断向外传播。在距离声音发射源1米处的地方，该声波所具有的能量密度假设为1毫瓦每平方厘米。随着该声波的传播，因为球面的面积不断随着半径的增加而增大，该声波的能量密度也会急剧地降低。在10米处，其能量密度只有0.01毫瓦每平方厘米了。在100米处，其能量密度只有0.0001毫瓦每平方厘米。从这个分析我们看出，即使是在理想的情况下，声波的能量密度也会随着传播距离的增加而变得非常低。因此，在远距离处，该同学发出的声音自然而然地很难被人耳所感知到。

其次，障碍物对声波具有反射作用。在传播过程中，当声音遇到障碍物时，会反射声波，进一步阻碍了声波的进一步传播。在日常生活中，障碍物非常常见，包括墙壁等建筑物以及空气中细小的灰尘都可以一定程度上反射声波。因此，反射作用进一步让我们发出的声波的传播距离变得极其有限。在实际应用中，很多设备正是基于物体对声波的反射作用而研发而成的。例如，B型超声检查（简称为“B超”）便是其中的一例。超声波指的是频率在20千赫兹以上的声波，因其超过了人的耳朵能够感知的频率极限而得名。超声波诊断去了我们熟知的B型超声以外还有A型超声、多普勒超声等多种形式。B超设备主要依据人体不同的部位对于超声的反射回声来了解人体内部结构的。在B超检查前，涂抹的油状液体被称为耦合剂，其主要功能是为了减少皮肤上的毛孔等对于超声波的反射作用，同时也可以起到排出空气、润滑皮肤的作用。在海洋领域，很多捕鱼船也装备了基于声波的检测设备，通过观察鱼群的回声确定其所属类型。

声波的反射不但与物体的尺寸有关，而且与物体的材料等属性有关。物体对声波的反射能力通常用反射截面积进行量化评估，反射截面积越大说明该物体对声波的反射能力越强。反射截面积这个术语与航空领域雷达监测过程中使用的类似术语的定义十分类似，只是声波与雷达发射出的波的性质不同而已。例如，一个刚性的球体对声波的反射截面积远小于同等尺寸的软球。而海洋中的气泡因为在声波的作用下可以发生物理振荡，因此其反射截面积非常大。

最后，声波在传播过程中存在一定程度的衰减。声波的衰减机理有很多种，包括粘性耗散、热耗散、声耗散。我们以声波通过含气泡的流动为例进行说明。粘性耗散广泛地存在于各类流体之中，其本质是由于物体粘性的影响而带来的声波能量衰减。热耗散指的是对于气泡等物体由于声波引起了气泡表面的振荡，从而不断的压缩其内部气体并做功生热，其产生的能量通过与外部的水进行热交换而耗散掉。声耗散指的是气泡在声场作用下引发振荡，从而使气泡本身也变成了声源并向外发射能量，进一步带来了能量损失。值得一提的是，气泡的存在不但极大地影响了声波的能量特性，而且对于声波的波速也存在显著的影响。例如，水中的声速为1480米每秒，空气中声速为340米每秒，但在空气和水组成的气液两相流体中声速却可以达到10米每秒的极低速度。另外，声波的耗散程度与声波的频率相关，高频耗散大一些。对于气、汽、液多相流动，其声波的衰减将更为复杂（注一）。

从我们司空见惯的声波的传播过程中，本科生也可以学习到很多有益的知识。

1.        勤于思考。在日常生活中，为何声波的传播总是存在一定范围？为何在水中游泳时，岸上的人的说话反而听得不清楚了？即使从这样一些简单的问题入手，本科生也可能会得到很多的启示。本科生的知识积累主要还是要依托兴趣在平时一点一滴的思考和实践中逐步形成、巩固，后续才能融会贯通、厚积薄发。

2.        层次清晰。在分析问题的过程中，本科生应力求按照科学方法论一步步地扎实开展。正如前述所说，我们首先通过理想模型的分析，掌握了声波的能量密度随着球形波的传播而迅速衰减这一现象。其次，进一步探讨了障碍物反射对于声波能量特性的影响。最后，分析了声波衰减的几种典型的物理机制。通过这样一个流程，我们便对声波的传播特性有了更为深入的理解。

3.   联系实际。在很多研究领域以及工程实践中，声波的传播速度和衰减是很重要的研究课题和内容。在能源动力领域，为了防止管道流动中异常高强度压力波的危害，需要提前采取一定措施对其能量进行衰减。另外，在水电站关机的过程中，阀门的关闭时间也要依据精确的声波传播数据进行设计。

注释部分

注一： 对于复杂汽/气/液多相流动中的声波传播研究，请参见以下笔者发表的论文以及指导的硕士研究生郭忠玉的学位论文：

Zhang, Y., Guo, Z. and Du, X., 2018. Wave propagation in liquids with oscillating vapor-gas bubbles. Applied Thermal Engineering, 133, pp.483-492.

郭忠玉, 2018. 声波在汽/气/液多相流动中的传播 (硕士论文, 华北电力大学 (北京)).