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計量論壇

標題: 現代聲學的內容 [打印本頁]

作者: csxfjsw123 時間: 2007-1-4 08:34
標題: 現代聲學的內容
　　現代聲學研究主要涉及聲子的運動、聲子和物質的相互作用，以及一些準粒子和電子等微觀粒子的特性。所以聲學既有經典性質，也有量子性質。
　　聲學的中心是基礎物理聲學，它是聲學各分支的基礎。聲可以說是在物質媒質中的機械輻射，機械輻射的意思是機械擾動在物質中的傳播。人類的活動幾乎都與聲學有關，從海洋學到語言音樂，從地球到人的大腦，從機械工程到醫學，從微觀到宏觀，都是聲學家活動的場所。
　　聲學的邊緣科學性質十分明顯，邊緣科學是科學的生長點，因此有人主張聲學是物理學的一個最好的發展方向。
　　聲波在氣體和液體中只有縱波。在固體中除了縱波以外，還可能有橫波(質點振動的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時還有縱橫波。
　　聲波場中質點每秒振動的周數稱為頻率，單位為赫(Hz)。現代聲學研究的頻率范圍為萬分之一赫茲到十億赫茲，在空氣中可聽到聲音的聲波長為17毫米到17米，在固體中，聲波波長的范圍更大，比電磁波的波長范圍至少大一千倍。聲學頻率的范圍大致為：可聽聲的頻率為20～20000赫，小于20赫為次聲，大于20000赫為超聲。
　　聲波的傳播與媒質的彈性模量，密度、內耗以及形狀大小(產生折射、反射、衍射等)有關。測量聲波傳播的特性可以研究媒質的力學性質和幾何性質，聲學之所以發展成擁有眾多分支并且與許多科學、技術和文化藝術有密切關系的學科，原因就在于此。
　　聲行波強度用單位面積內傳播的功率(以瓦/米2為單位)表示，但是在聲學測量中功率不易直接測量得，所以常用易于測量的聲壓表示。在聲學中常見的聲強范圍或聲壓范圍非常大，所以一般用對數表示。稱為聲強級或聲壓級，單位是分貝(dB)。
　　聲學的研究方法與光學研究方法的比較
　　聲學分析方法已成為物理學三個重要分析方法(聲學方法、光學方法、粒子轟擊方法)之一。聲學方法與光學方法(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，使用兩種方法時，都運用了波動過程所應服從的一般規律，包括量子概念(聲的量子稱為聲子)。
　　不同處是：光波是橫波，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，情況更為復雜；聲波比光波的傳播速度小得多；一般物體和材料對光波吸收很大，但對聲波卻很小，聲波在不同媒質的界面上幾乎是完全反射。
　　這些傳播性質有時造成結果上的極大差別，例如在普通實驗室內很容易驗證光波的平方反比定律(光的強度與到光源的距離平方成反比)。根據能量守恒定律，聲波也應滿足平方反比定律，但在室內則無法測出。因為室內各表面對聲波來說都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發出后要反射很多次，在室內往返多次，經過很長時間(稱為混響時間)才消失。任何點的聲強都是這些直達聲和反射聲互相干涉的結果，與距離的關系很復雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對很多聲學現象不能理解的原因。
　　聲學的分支學科
　　與光學相似，在不同的情況，依據其特點，需要運用不同的聲學方法進行研究。
　　波動聲學也稱物理聲學，它是使用波動理論研究聲場的學科。在聲波波長與空間或物體的尺度數量級相近時必須用波動聲學分析。其主要內容是研究聲的反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現象。
　　在封閉空間(例如室內，周圍有表面)或半關閉空間(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(稱為簡正振動方式或簡正波)。簡正方式理論是引用量子力學中本征值的概念并加以發展而形成的。
　　射線聲學或稱幾何聲學，它與幾何光學相似。主要是研究波長非常小時，能量沿直線的傳播的規律。即忽略衍射現象，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。例如在研究室內反射面、在固體中作無損檢測以及在液體中探測等時，都用聲線概念。
　　統計聲學主要研究波長非常小，在某一頻率范圍內簡正振動方式很多，頻率分布很密時，忽略相位關系，只考慮各簡正方式的能量相加關系的問題。賽賓公式就可用統計聲學方法推導。統計聲學方法不限于在關閉或半關閉空間中使用。在聲波傳輸中，統計能量技術解決很多問題，就是一例。
　　聲學儀器
　　20世紀以前，聲源僅限于人聲、樂器、音義和哨子。頻率限于可聽聲范圍內，可控制的聲強范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時用歌弧、歌焰作定性比較，電話上的接收器和傳聲器還很簡陋，難于用作測試儀器。
　　20世紀以后，人們把電路理論應用于換能器的設計，把晶體的壓電性用于聲信號和電信號之間的轉換，以后又發展了壓電陶瓷、駐極體等，并用電子線路放大和控制電信號，使聲的產生和接收幾乎不受頻率和強度的限制。
　　近年用半導體薄膜產生超聲，用激光轟擊金屬激發聲波等，使聲頻超過了可聽聲高限的幾億倍。次聲頻率可達每小時一周以下，聲強可超過人耳所能接收高強聲音的幾千萬倍。聲功率也可超過人發聲的一千億倍。聲學測量分析儀器也達到了高度準確的程度，以計算機為中心的測試設備可完成多種測試要求，60年代需要幾天才能完成的測試分析工作，用現代設備可能只要幾秒鐘就可以完成，這些手段給聲學各分支的發展創造了很好的條件。
　　利用對聲速和聲衰減，測量研究物質特性已應用于很廣的范圍。目前測出在空氣中，實際的吸收系數比19世紀斯托克斯和基爾霍夫根據粘性和熱傳導推出的經典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬倍。這個事實導致了人們對弛豫過程的研究，這在對液體以及它們結構的研究中起了很大作用。對于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內耗的研究，并對諸如固體結構和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻。
　　表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學、熱脈沖、聲發射、超聲顯微鏡、次聲等以物質特性研究為基礎的研究領域都有很大發展。
　　聲全息和聲成像是無損檢測方法的重要發展。將聲信號變成電信號，而電信號可經過電子計算機的存儲和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應枝檢對象的情況，這就大大優于一般的超聲檢測方法。用熱脈沖產生的超聲頻率可達到1012Hz以上，為凝聚態物理開辟了新的研究領域。
　　聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質中聲速的微小變化來研究，應用聲波的非線性特性可以實現和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶中。
　　聲波可以透過所有物體：不論透明或不透明的，導電或非導電的。因此，從大氣、地球內部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點陣等微小部分都是聲學的實驗室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動，找出了地球內部運動的準確模型，月球上放置的地聲接收器對月球內部監測的結果，也同樣令人滿意。進一步監測地球內部的運動，最終必將實現對地震的準確預報從而避免大量傷亡和經濟損失。
　　聲學與生命科學
　　聽覺過程涉及生理聲學和心理聲學。目前能定量地表示聲音在人耳產生的主觀量(音調和響度)，并求得與物理量(頻率和強度)的函數關系，這是心理物理研究的重大成果。還建立了測聽技術和耳鼓聲阻抗測量技術，這是研究中耳和內耳病變的有效工具。
　　在聽覺研究中，所用的設備很簡單，但所得結果卻驚人的豐富。1961年物理學家貝剴西曾由于在聽覺方面的研究獲得諾貝爾醫學或生理學獎，這是物理學家在邊緣學科中的工作受到了承認的例子。目前主要由于對神經系統和大腦的確切活動和作用機理不明，還未形成完整的聽覺理論，但這方面已引起了很多聲學工作者的重視。
　　在語言和聽覺范圍內，基礎研究導致很多重要醫療設備的生產：整個裝到耳聽道內的助聽器；保護聽力的耳塞，為聲帶損傷病人用的人工喉，語言合成器，為全聾病人用的觸覺感知器和人工耳蝸等等。
　　除了助聽、助語設備外，聲學在醫學中還有很多可以應用的方面，但發展都很不夠或根本未發展，特別是在治療方面。有跡象說明低強度超聲可加速傷口愈合，同時施用超聲和 X射線可使對癌癥的輻射治療更加有效，超聲輻射可治愈腦血栓等，但這些都未形成常規的治療手段。
　　超聲檢查體內器官，并加以顯示的方法有廣泛的應用，聲波可透過人體并對體內任何阻抗的變化靈敏(折射、反射)，因此超聲透視顱內、心臟或腹內的某些功效遠比 X射線優越，而且不存在輻射病，但使用時也有局限。超聲全息用于體內無損檢測的技術則尚待發展。

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