聲學(xué)基本知識(shí)與應(yīng)用領(lǐng)域(2)
聲學(xué)基本知識(shí)與應(yīng)用領(lǐng)域
聲學(xué)實(shí)際應(yīng)用
應(yīng)用
利用對(duì)聲速和聲衰減測(cè)量研究物質(zhì)特性已應(yīng)用于很廣的范圍。測(cè)出在空氣中，實(shí)際的吸收系數(shù)比19世紀(jì)G.G.斯托克斯和G.R.基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導(dǎo)推出的經(jīng)典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬(wàn)倍。這個(gè)事實(shí)導(dǎo)致了人們對(duì)弛豫過(guò)程的研究，這在對(duì)液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用(見(jiàn)聲吸收)。對(duì)于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內(nèi)耗的研究，并對(duì)諸如固體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻(xiàn)。
表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學(xué)、熱脈沖、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。
瑞利時(shí)代就已經(jīng)知道的表面波，現(xiàn)已用到微波系統(tǒng)小型化發(fā)展中。在壓電材料(如石英)上鍍收發(fā)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(wàn)分之幾，相同頻率下波長(zhǎng)短得多，所以表面波器件的特點(diǎn)是小，在信號(hào)存儲(chǔ)上和信號(hào)濾波上都優(yōu)于電學(xué)元件，可在電路小型化中起很大作用。
聲全息和聲成像是無(wú)損檢測(cè)方法的重要發(fā)展。將聲信號(hào)變成電信號(hào)，而電信號(hào)可經(jīng)過(guò)電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應(yīng)被檢對(duì)象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測(cè)方法。固體位錯(cuò)上的聲發(fā)射則是另一個(gè)無(wú)損檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。
聲波在固體和液體中的非線性特性可通過(guò)媒質(zhì)中聲速的微小變化來(lái)研究，應(yīng)用聲波的非線性特性可以實(shí)現(xiàn)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(jiàn)非線性聲學(xué))中。 用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達(dá)到1012Hz以上，為凝聚態(tài)物理開(kāi)辟了新的研究領(lǐng)域。
次聲學(xué)主要是研究大氣中周期為一秒至幾小時(shí)的壓力起伏。火山爆發(fā)、地震、風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)等自然現(xiàn)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(xiàn)象。次聲在國(guó)防研究上也有重要應(yīng)用，可以用來(lái)偵察和辨認(rèn)大型爆破、火箭發(fā)射等。大氣對(duì)次聲的吸收很小，比較大的火山爆發(fā)，氫彈試驗(yàn)等產(chǎn)生的次聲繞地球幾周仍可被收到，可用次聲測(cè)得這些事件。固體地球內(nèi)聲波的研究已發(fā)展為地震學(xué)。
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(yù)計(jì)液氦溫度低于λ 點(diǎn)時(shí)可能有周期性的溫度波動(dòng)，后來(lái)將這種溫度波稱為第二聲，而壓力波為第一聲。對(duì)第一聲和第二聲的研究又得到另外兩種聲：第三聲超流態(tài)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(nèi)的壓縮波。深入研究這些現(xiàn)象都已經(jīng)成為研究液氦的物理特性尤其是量子性質(zhì)的重要手段(見(jiàn)量子聲學(xué))。
聲波可以透過(guò)所有物體：不論透明或不透明的，導(dǎo)電或非導(dǎo)電的，包括了其他輻射(如電磁波等)所不能透過(guò)的物質(zhì)。因此，從大氣、地球內(nèi)部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶體點(diǎn)陣等微小部分都是聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。近年來(lái)在地震觀測(cè)中，測(cè)定了固體地球的簡(jiǎn)正振動(dòng)，找出了地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模型，月球上放置的地聲接收器對(duì)月球內(nèi)部監(jiān)測(cè)的結(jié)果，也同樣令人滿意。進(jìn)一步監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，從而避免大量傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。
儀器設(shè)備
20世紀(jì)以前，聲源僅限于人聲、樂(lè)器、音義和哨子。頻率限于可聽(tīng)聲范圍內(nèi)，可控制的聲強(qiáng)范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時(shí)用歌弧、歌焰作定性比較，電話上的接收器和傳聲器還很簡(jiǎn)陋，難于用作測(cè)試儀器。20世紀(jì)以后，人們把電路理論應(yīng)用于換能器的設(shè)計(jì)，把晶體的壓電性用于聲信號(hào)和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，以后又發(fā)展了壓電陶瓷、駐極體等，并用電子線路放大和控制電信號(hào)，使聲的產(chǎn)生和接收幾乎不受頻率和強(qiáng)度的限制。用半導(dǎo)體(如 CdS)薄膜產(chǎn)生超聲，用激光轟擊金屬激發(fā)聲波等，使聲頻超過(guò)了可聽(tīng)聲高限的幾億倍。次聲頻率可達(dá)每小時(shí)一周以下，聲強(qiáng)可超過(guò)人耳所能接收高強(qiáng)聲音的幾千萬(wàn)倍。聲功率也可超過(guò)人口所發(fā)聲的 1011倍。聲學(xué)測(cè)量分析儀器也達(dá)到了高度準(zhǔn)確的程度，以臺(tái)式計(jì)算機(jī)(微型計(jì)算機(jī))為中心的測(cè)試設(shè)備可完成多種測(cè)試要求，60年代需要幾天才能完成的測(cè)試分析工作，用現(xiàn)代設(shè)備可能只要幾分鐘就可以完成。以前無(wú)法進(jìn)行的測(cè)量工作(如聲強(qiáng)、簡(jiǎn)正波等)現(xiàn)在也可以測(cè)量了。這些手段就給聲學(xué)各分支的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。
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