瑞利勋爵对现代声学基础理论的开创性贡献.doc

瑞利勋爵对现代声学基础理论的开创性贡献 摘要：英国物理学家瑞利以严谨、广博和精深著称于世，他在光学、声学、黑体辐射问题和氩的发现方面都留下了个人的印记．本文通过阐述瑞利在声学领域的杰出贡献，充分展示了瑞利个性鲜明的科研风格和对周围事物沉于理性思考的特征． 关键词：声学 瑞利盘 瑞利波 声表面波器件 The creative contribution of Rayleighs in basic theory of modern acoustics Abstract：This paper describe the Rnyleighs outstanding contribution in Acoustic． And shows his personality scientific research style． It gives us edification． Key Words： Acoustics Rayleigh disk Rayleigh wave Surface acoustic wave device 瑞利勋爵，原名是J．W．斯特拉斯（John William Strutt 1842－1919）, 英国著名物理学家，1904年度诺贝尔物理学奖获得者。他以严谨、广博、精深著称于世，他是19世纪末叶达到经典物理学顶峰的少数学者之一，他的研究工作几乎遍及了当时物理学的各个领域，并留下了个人深刻的印记。1877年，他出版了两卷本《声学原理》的经典著作，对19世纪以前两三百年的大量声学研究成果作最后的总结，特别是在声学方面的理论分析工作，至今仍被奉为声学基础研究的经典。他创立的电话理论，目前已发展为一门新兴的学科——电声学；随后，他从理论上指出声波在弹性固体中传播时可以有一种能量集中于表面附近的弹性波，被称为声表面波（或瑞利波）；现利用他的理论所研制的微形声表面波器件，为现代声电子学领域开拓了广阔的应用前景。 1声学研究的历史背景 声音是人类最早研究的物理现象之一，是经典物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的唯一分支学科。中国从上古起直到19世纪，都是把声音理解为可听声的同义语。先秦时就说：“情发于声，声成文谓之音”［1］，“音和乃成乐”［1］，即指出了声、音、乐三者的不同。世界上最早的声学研究工作是在音乐方面。《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就是把管（笛、箫）加长三分之一或减短三分之一，听起来都很和谐，这是最早的声学定律。希腊时代的毕达哥拉斯也提出了相似的自然律。 对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单周期和物体振动开始的。从那时起直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体振动和声的产生原理作出过贡献。1635年就有人用远地枪声测声速，以后方法不断改进，到1738年巴黎科学院用炮声测量声速，测得的结果折合到0℃时，声速为332m／ｓ，与目前最准确的数值331.45m／s只差1.5‰。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中根据推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质，等等，经过复杂而难懂的推导求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是由此算出的声速只有288m/s，与实验值相差很大。达朗伯尔于1747年首次导出弦的波动方程：［2］ （1） 其中为常数，与弦的密度和张力有关，1763年，达朗贝尔进一步讨论了不均匀弦的振动，得到了广义的波动方程：［2］ （2） 在用分离变量求解方程中，出现了常微分方程的边值和特征值问题，并预言此方程可用于声波。1816年，拉普拉斯指出只有在声波传播中空气温度不变时牛顿的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程，因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比（定压比热容与定容比热容的比）与密度之比。从而得到了声速的理论值与实验值完全一致的结果。 2瑞利对现代声学的贡献 瑞利早期研究的领域是电学，19世纪80年代以后，他扩展研究范围，开始涉猎声学领域。他在声学领域的第一个成就就是他于1882年亲自设计的测量质点速度的仪器——瑞利盘。瑞利盘是一个用细丝悬挂的刚性薄圆盘，此圆盘的半径r甚小于声波的波长，当将它置于自由平面波声场中且与波入射方向成α角时，受到一个由下式表示的力矩M的作用：［3］ （3） 式中为介质的密度，为质点速度，为圆盘的质量，为圆盘的流体