聲學基礎知識
聲學基礎知識
聲學是物理學分支學科之一，是研究媒質中機械波的產生、傳播、接收和效應的科學。媒質包括物質各態(固體、液體和氣體等)，可以是彈性媒質也可以是非彈性媒質。以下是由學習啦小編整理關于聲學知識的內容，希望大家喜歡!
聲學的領域
介紹
與光學相似，在不同的情況，依據其特點，運用不同的聲學方法。
波動
也稱物理聲學，是用波動理論研究聲場的方法。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。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并加以發展而形成的(注意到聲波波長較大和速度小等特性)。
射線
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
主要研究波長非常小(與空間或物體比較)，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。
分支
可以歸納為如下幾個方面：
從頻率上看，最早被人認識的自然是人耳能聽到的“可聽聲”，即頻率在20Hz～20000Hz的聲波，它們涉及語言、音樂、房間音質、噪聲等，分別對應于語言聲學、音樂聲學、房間聲學以及噪聲控制;另外還涉及人的聽覺和生物發聲，對應有生理聲學、心理聲學和生物聲學;還有人耳聽不到的聲音，一是頻率高于可聽聲上限的，即頻率超過20000Hz的聲音，有“超聲學”，頻率超過500MHz的超聲稱為“特超聲”，當它的波長約為10-8m量級時，已可與分子的大小相比擬，因而對應的“特超聲學”也稱為“微波聲學”或“分子聲學”。超聲的頻率還可以高1014Hz。二是頻率低于可聽聲下限的，即是頻率低于20Hz的聲音，對應有“次聲學”，隨著次聲頻率的繼續下降，次聲波將從一般聲波變為“聲重力波”，這時必須考慮重力場的作用;頻率繼續下降以至變為“內重力波”，這時的波將完全由重力支配。次聲的頻率還可以低至10-4Hz。需要說明的是，從聲波的特性和作用來看，所謂20Hz和20000Hz并不是明確的分界線。例如頻率較高的可聽聲波，已具有超聲波的某些特性和作用，因此在超聲技術的研究領域內，也常包括高頻可聽聲波的特性和作用的研究。
從振幅上看，有振幅足夠小的一般聲學，也可稱為“線性(化)聲學”，有大振幅的“非線性聲學”。
從傳聲的媒質上看，有以空氣為媒質的“空氣聲學”;還有“大氣聲學”，它與空氣聲學不同的是，它主要研究大范圍內開闊大氣中的聲現象;有以海水和地殼為媒質的“水聲學”和“地聲學”;在物質第四態的等離子體中，同樣存在聲現象，為此，一門尚未成型的新分支“等離子體聲學”正應運而生。
從聲與其它運動形式的關系來看，還有“電聲學”等等。
聲學的分支雖然很多，但它們都是研究聲波的產生、傳播、接收和效應的，這是它們的共性。只不過是與不同的領域相結合，研究不同的頻率、不同的強度、不同的媒質，適用于不同的范圍，這就是它們的特殊性。
區別
聲學方法與光學方法的比較
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：
①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。
②聲波比光波的傳播速度小得多。(在氣體中約差百萬倍，在液體和固體中約差十萬倍)
③一般物體(固態或液態)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)，雖然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，嚴格定義見建筑聲學)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。
聲學的實際應用
應用
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。測出在空氣中，實際的吸收系數比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(見聲吸收)。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。
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于電學元件，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，這就大大優于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，它還用于高分辨率的參量聲吶(見非線性聲學)中。 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。
次聲學主要是研究大氣中周期為一秒至幾小時的壓力起伏。火山爆發、地震、風暴、臺風等自然現象都是次聲源。研究次聲可以更深入地了解上述這些自然現象。次聲在國防研究上也有重要應用，可以用來偵察和辨認大型爆破、火箭發射等。大氣對次聲的吸收很小，比較大的火山爆發，氫彈試驗等產生的次聲繞地球幾周仍可被收到，可用次聲測得這些事件。固體地球內聲波的研究已發展為地震學。
研究液氦中的聲傳播也很有意義。早在40年代，Л·Д·朗道就預計液氦溫度低于λ 點時可能有周期性的溫度波動，后來將這種溫度波稱為第二聲，而壓力波為第一聲。對第一聲和第二聲的研究又得到另外兩種聲：第三聲超流態氦薄膜上超流體的縱波，第四聲多孔材料孔中液氦中超流體內的壓縮波。深入研究這些現象都已經成為研究液氦的物理特性尤其是量子性質的重要手段(見量子聲學)。
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，包括了其他輻射(如電磁波等)所不能透過的物質。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。
看過“聲學基礎知識“的人還看了：
3.音響基礎知識
5.破折號的用法