实际的传声介质(包括各种气体、液体和固体以及其他物态)都是非理想的。声吸收过程是一个耗散过程,与声速常有密切的关联,因此研究声吸收问题时,往往要考虑频散现象(见声)。
引起介质对声吸收的原因很多。静止和均匀流体介质中主要原因有介质的黏滞性、热传导以及介质的微观动力学过程中引起的弛豫效应等。非纯介质(如大气中含有灰尘粒子、液态雾滴等)中,在声波作用下这些悬浮体对介质作相对运动而产生的摩擦损耗,以及在水雾中弛豫效应等也是引起声吸收的原因。
海水中含有一定的化学物质,频散吸收要显著高于纯水。地震、火山爆发以及核爆炸时发出的声音,含有远低于20赫的次声成分,可持续绕地球转几个圈。可见声波的吸收既决定于介质的一些特性,也与声波的频率有关。从声吸收规律来探索(物质)介质的特性和结构,已发展成声学分支——分子声学 ,它通过宏观的声吸收以及声频散来研究分子以至原子等微观结构与各种频率声波的相互作用。当然,声吸收的研究范围还要广泛得多。
声吸收
实际传声介质里,声能在传播途中逐渐变成热,从而出现随距离而逐渐衰减的现象。
- 英文名称
- sound absorption
- 所属学科
- 物理学
主要由黏滞和热传导两部分吸收组成。
声波通过介质时介质质点因相对运动而产生内摩擦,即黏滞作用,导致声的吸收。对于流体,黏滞作用由切变黏滞系数以及容变黏滞系数两部分来描述。前者是由介质的剪切形变产生的,后者宏观上是由体积变化引起的。已经证明,大量测试中表现出来的超过经典吸收的部分是容变黏滞系数的作用,这一系数与微观过程的弛豫性质有关,它是声波频率的函数。
声波传播过程基本上是绝热的,介质中有声波通过时,产生压缩和膨胀的交替变化,压缩区温度升高,膨胀区温度降低。这时相邻的压缩和膨胀区之间形成温度梯度,引起热传导。这个过程是不可逆的,因此产生声能的耗散,称为热传导吸收。液体热传导吸收一般较小,常可忽略;但液态金属如水银则正好相反,热传导吸收要比黏滞吸收的作用更大。
弛豫吸收由介质分子的微观内过程引起,主要有下列机制。
简称分子弛豫吸收 。一般发生于多原子分子的气体中。实质是分子的相互碰撞,使外自由度(指分子平动自由度)和内自由度(分子的振动和转动自由度)之间发生能量的重新分配。介质静止时可用压强、温度、密度等物理参量描述这一平衡状态。声波通过时介质发生压缩和膨胀过程,介质的物理参量及其相应的平衡状态也将随声波过程而发生简谐变化。而任何状态的变化都伴有内外自由度能量的重新分配,并向一个具有新的平衡能量分配状态过渡。但建立一个新的平衡分配需要一段有限的时间。这样的过程称为弛豫过程,建立新的平衡状态所需要的时间称为弛豫时间。这种过程伴随着熵的增加。由此导致有规的声能向无规的热转化,即声波的弛豫吸收。
声波通过会产生可逆化学反应的介质时,也会发生与上述热弛豫类似的化学反应平衡的破坏,并产生弛豫过程。这种过程的弛豫过程也导致声的吸收。可出现这种化学反应弛豫的介质有分子发生解离和缔合作用的气体、各种能起化学反应的混合物以及电解质溶液等。
声波通过一般液体时,由于分子间互相作用很强,热弛豫时间很短,声吸收主要由于液体分子的体积发生变化产生,这种发生介质微观结构的重建过程的弛豫称为结构弛豫。纯水具有结构弛豫,它对吸收贡献较大。
一种介质可存在一个以上的弛豫过程。如电解质水溶液,可同时既存在纯水的结构弛豫,也存在电解质的解离–缔合化学反应弛豫。如果这两种弛豫过程的弛豫时间相差很大,则实验上可把它们明显分别出来。实验发现,还有一些液体(如黏弹性液体)具有一个极为宽广的弛豫时间谱,而这个弛豫时间谱实质上具有连续谱的特征,这种弛豫称为多重弛豫。
典型的有下述两种情况:
大气中主要吸收机制是分子弛豫吸收,即与空气中所含氧气、氮气、水蒸气和二氧化碳的主要成分有关。理论证明,氧气与水蒸气的相互作用占大气吸收的主要成分;氮气含量虽多,但只在低频和高湿度情况下起重要作用;二氧化碳虽只占大气的万分之三,但其作用,特别是在湿度较小的情况下绝不可忽略。因此考虑大气吸收时,相对湿度和温度都是重要的参量。
容变黏滞系数的存在已能在理论上解释纯水的吸收。海水中含硫酸镁及硼酸,会导致两项化学弛豫吸收。海水在低频时吸收很小(100赫约为10−6分贝/米),但频率较高时吸收显著增加。硼酸在海水中含量甚微(约为百万分之四),但实验观察到它的水溶液在约1000赫时显示出比纯水高300倍的弛豫吸收。至于含量也较低的硫酸镁导致的反常声吸收的测量以及理论探讨早在20世纪40年代末已开始。这两种吸收都与温度以及水的静压力有关。海水中含有气泡等悬浮体,除产生声散射外,也是造成海水吸收的重要原因。
生物介质一般指生物软组织。声波在生物介质中能量衰减的机理十分复杂。除了黏滞、热传导和多种复杂的弛豫过程引起能量耗散外,还有因组织不均匀性而引起声波的散射,这部分散射能量仅改变声的传播路径,并不能转换为热。尽管声波的热耗散是主要的,但由于二者的贡献很难分离开来,因而在生物介质中常采用声衰减系数替代声吸收系数来描述声波的传播损耗。
主要有四种:①度量发射声脉冲的幅度因吸收而引起的随距离的相对变化的脉冲法。②度量衍射光的强度随声场距离的相对变化的光衍射法。③度量驻波声场中极大值或极小值的幅值随距离相对变化的声干涉法。④测量盛有待测介质的容器中共振锐度变化的共振法。共振法主要应用于较低频段的测量,而脉冲法应用较为普遍,精度较高,方式较多,借助快速发展的计算机与电子技术,脉冲法测量声吸收技术也一直在飞速发展着。
扩展阅读
- 杜功焕.声学基础.南京:南京大学出版社,2001.