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声学小结

已有 5158 次阅读 2010-6-13 15:33 |个人分类:物理学|系统分类:科研笔记| 声学

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1.声学是物理学分支学科之一,是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的科学。媒质包括物质各态(固体、液体和气体等),可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质。机械波是指质点运动变化(包括位移、速度、加速度中某一种或几种的变化)的传播现象

2.一些媒质中的声速声学方法与光学方法的比较 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(声的量子称为声子)。不同处是: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;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);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

3.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)。

4.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。

5.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。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中

6.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。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。

7.超声检测和表面波器件在国防工业中起重要作用。其他各声学分支也都与国防有关,在国防中应用较多的是水声学。海洋中除声以外的各种信号都很难传到几米之外,因此水声技术在利用回声探测水下物体,如潜艇、海底、鱼群、沉船等,是有力手段。由于温度、压力等的分布,在水面下 1200m左右有一声速最低的深水声道(声发声道)。其中声速比其上、下层的都低,声波传入后就局限于声道内,损失很小。船舶遇到事故时,丢下一枚小型深水炸弹,其低频信号可在声道内传播几百甚至几千远,在这个范围内的“声发”站接收到信号即可组织救援。在水下检测异物时就要用较高可听声频或较低超声频,这时水中吸收较大,只能达到较近区域,要延长作用距离还是个困难课题。在航海和渔业方面水声学也有广阔的应用前景。



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