正文 第255章 物理學之聲學 中 文 / 月之輪迴

    研究特點

    1大部分基礎理論已比較成熟，這部分理論在經典聲學中已有比較充分的發展。

    2有些基礎理論和應用基礎理論，或基礎理論在不同實際範圍內的應用問題研究得較多；

    3非常廣泛地滲入到物理學其他分支和其他科學技術領域（包括工農業生產）以及化藝術領域中。

    現代聲學研究一直涉及聲子的運動、聲子和物質相互作用，以及一些准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。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。

    聲學-特性概念

    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，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範圍為10∼10hz，在空氣中可聽聲的波長（聲速除以頻率）為17mm∼17m，在固體中，聲*長的範圍則為10∼10m，比電磁波的波長範圍至少大一千倍。聲波的傳播速度為聲學

    式中e是媒質的彈性模量，單位為帕(pa)，p是媒質密度，單位為kg/m。氣體中e＝γp，p是壓力，單位是pa。聲在媒質中傳播有損耗時。e為複數(虛數部分代表損耗)，c也是複數，其實數部分代表傳播速度。虛數部分則與衰減常數（每單位距離強度或幅度的衰減）有關，測量後者可求得媒質中的損耗。

    聲行波強度用單位面積內傳播的功率（以w/m為單位）表示。但是在聲學測量中功率不易直接測量得，所以常用易於測量的聲壓表示。在聲學中常見的聲強範圍或聲壓範圍非常大，所以一般用對數表示，稱聲強級或聲壓級，單位是分貝(db)。先選一個基準值，一個強度等於其基準值10000倍的聲，聲強級稱40db，強度1000000倍的聲則強度級為60db。聲強i與聲壓p的關係是聲學

    式中zc是媒質的聲特性阻抗。zc=pc。聲壓增加10倍，聲強則增加100倍，分貝數增加20。所以聲壓為其基準值的100倍時，聲壓級是40db。在使用聲強級或聲壓級時，基準值必須說明。在空氣中，pc=400，聲強的基準值常取為10w/m，與這個聲強相當的聲壓基準值為20μpa(即2x10n/m)，這大約是人耳在1000hz所能聽到的最低值。這時聲強級與聲壓級相等(0db)(這是在空氣中，並選擇了適當的基準值情況下)。

    聲學-研究方法

    波動聲學

    也稱物理聲學。是用波動理論研究聲場的方法。在聲*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。主要是研究反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現象。在關閉空間（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並加以發展而形成的（注意到聲*長較大和速度小等特性）。

    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（與空間或物體尺度比較）時，能量沿直線的傳播，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（與空間或物體比較），在某一頻率範圍內簡正振動方式很多，頻率分佈很密時。忽略相位關係，只考慮各簡正方式的能量相加關係的問題。賽賓公式就可用統計聲學方法推導。統計聲學方法不限於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。

    分支學科次聲學、超聲學、電聲學、大氣聲學、音樂聲學、語言聲學、建築聲學、生理聲學、生物聲學、水聲學、物理學、力學、熱學、光學、電磁學、核物理學、固體物理學。

    應用

    科研應用

    利用對聲速和聲衰減測量研究物質特性已應用於很廣的範圍。測出在空氣中。實際的吸收係數比19世紀g.g.斯托克斯和g.r.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。對於固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內耗的研究，並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、熱脈衝、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。

    瑞利時代就已經知道的表面波，現已用到微波系統小型化發展中。在壓電材料(如石英)上鍍收發電極，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，相同頻率下波長短得多，所以表面波器件的特點是小，在信號存儲上和信號濾波上都優於電學元件，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被檢對象的情況，這就大大優於一般的超聲檢測方法。固體位錯上的聲發射則是另一個無損檢測方法的基礎。

    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

    於高分辨率的參量聲吶（見非線性聲學）中。用熱脈衝產生的超聲頻率可達到1012hz以上，為凝聚態物理開闢了新的研究領域。(未完待續)