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聲學(xué)基本知識與應(yīng)用領(lǐng)域(2)

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聲學(xué)基本知識與應(yīng)用領(lǐng)域

  聲學(xué)實(shí)際應(yīng)用

  應(yīng)用

  利用對聲速和聲衰減測量研究物質(zhì)特性已應(yīng)用于很廣的范圍。測出在空氣中,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、幾萬倍。這個事實(shí)導(dǎo)致了人們對弛豫過程的研究,這在對液體以及它們結(jié)構(gòu)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(nèi)耗的研究,并對諸如固體結(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分之幾,相同頻率下波長短得多,所以表面波器件的特點(diǎn)是小,在信號存儲上和信號濾波上都優(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損檢測方法的重要發(fā)展。將聲信號變成電信號,而電信號可經(jīng)過電子計算機(jī)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(yīng)被檢對象的情況,這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測方法。固體位錯上的聲發(fā)射則是另一個無損檢測方法的基礎(chǔ)。

  聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質(zhì)中聲速的微小變化來研究,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的壓力起伏?;鹕奖l(fā)、地震、風(fēng)暴、臺風(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。次聲在國防研究上也有重要應(yīng)用,可以用來偵察和辨認(rèn)大型爆破、火箭發(fā)射等。大氣對次聲的吸收很小,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)計液氦溫度低于λ 點(diǎn)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(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(見量子聲學(xué))。

  聲波可以透過所有物體: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。近年來在地震觀測中,測定了固體地球的簡正振動,找出了地球內(nèi)部運(yùn)動的準(zhǔn)確模型,月球上放置的地聲接收器對月球內(nèi)部監(jiān)測的結(jié)果,也同樣令人滿意。進(jìn)一步監(jiān)測地球內(nèi)部的運(yùn)動,最終必將實(shí)現(xiàn)對地震的準(zhǔn)確預(yù)報,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、樂器、音義和哨子。頻率限于可聽聲范圍內(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(jì)以后,人們把電路理論應(yīng)用于換能器的設(shè)計,把晶體的壓電性用于聲信號和電信號之間的轉(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,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,使聲頻超過了可聽聲高限的幾億倍。次聲頻率可達(dá)每小時一周以下,聲強(qiáng)可超過人耳所能接收高強(qiáng)聲音的幾千萬倍。聲功率也可超過人口所發(fā)聲的 1011倍。聲學(xué)測量分析儀器也達(dá)到了高度準(zhǔn)確的程度,以臺式計算機(jī)(微型計算機(jī))為中心的測試設(shè)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(xiàn)代設(shè)備可能只要幾分鐘就可以完成。以前無法進(jìn)行的測量工作(如聲強(qiáng)、簡正波等)現(xiàn)在也可以測量了。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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