声学基础讲义-第8章 声学前沿.pdfVIP

第八章 声学前沿 第八章 声学前沿 8.1 概述 声学差不多是近代科学中最早发展的分支，伽利略 1638 年发表的《两个新科学的讲 话》中仔细讨论了物体的振动，对音调与频率的关系、振动的弦长与音调的关系，以及 和声与频率比的关系等都有生动的讨论。半个世纪后，牛顿提出恒温声速的理论。17 到 19 三世纪中的重要数学家和物理学家几乎都研究过声学 问题，把经典物理声学发展到成 熟的阶段，最后由瑞利以 1000 页的两卷《声学理论》做了总结，这部书直到 100 年后的 今年仍在售卖。 从 20 世纪初开始，声学主要以外延的形式发展，与其它科学技术分支结合，建立了 大量的边缘学科，声学学科图给出了一个大概的概念。这个图是 1972 年著名声学家林赛 画的，当时计算技术、环境科学、空间科学等还没有像现在这样发达，这个图肯定是不 完全的。但即使如此，声学的外延也是很可观。当然，物理声学还是继续发展。到本世 纪下半叶，物理声学又大大发展了，这是因为在各分支学科中，不少问题如不对其中声 波和振动基本特性和作用确切了解，就不能对该问题真正理解和进一步深入。所以在 20 世纪中，声学经过了发散和收敛过程，一些分支学科或其一部分已发展为工程技术，直 接为生产服务，不少部分则向基础深入发展。现在主要讨论这些部分。 1. 物理声学。振动和声波的基本特性和效应是声学各个分支共同的基础，包括线性 声学、非线性声学、振动理论。许多应用都涉及声波的辐射压力、声流和空化作用。声 源的辐射和障碍物的散射是突出的问题。声学的研究继续发展。物理声学占声学研究论 文的五分之一强。 2. 声学信号处理。信号处理在电子学中是成熟的技术，用在声学中非常重要，几乎 声学各个分支中都有信号处理问题。最多的问题是空— 时信号的处理方法，如水声信号、 超声信号、语言信号、有源控制信号、环境声学信号、地声信号等，都须要处理，以了 解或应用其有关物理过程。此外信号显示、图样识别、学习机、自适应处理、声学反问 题、声学层析术、声全息处理等都非常重要。 3. 声学海洋学（海洋声学）。海洋是世界上的巨大未知数。海洋变化非常大，海流、 涡流等可大到若干公里，并不断变化。影响气候变化，食物链以及矿产，即使远离海洋 1 声学基础 的人也要受影响。用船或卫星可以取得大量信息，但船只限于一时一地，而卫星只能观 察海面。用声学方法可以大大推动海洋研究，一个重要问题是海底的研究（当前也许限 于技术条件只是浅海的海底），用反射研究可以推出海底表面和表面下的物理特性。用声 学层析术，以单频声源和简正波测量为基础，可求得声速分布的截面图。频率低的声波 在海洋中可传到很远距离（SOFAR 系统）。在南印度洋设的赫德发射站（57 赫）可在 18000 公里外收到，因而可算出声道内的平均声速。用这个系统可测每年水温变化准到 0.01 ℃。 这个监测水温变化的办法还要推广，因为水温变化影响气温，影响海洋生物的繁殖。海 洋中浮游生物密度的研究也是一方面，这影响海洋中整个的食物链。 4. 光声学和声致发光学。用脉冲激光照射固体或液体表面以在后者中产生声波，和 在液体中用声波产生空化而发光是声光互相转换的两种方式，广泛用于物质研究中。用 激光束照射水面产生高频声一般转换效率较低，传播距离也较短。有人试验，使激光束 照射到水面上的点以略高于声速移动，这就可以不断加强声束，估计可使高频率声波传 到 5 公里、10 公里的距离，有广阔应用的前途。光声在无损检测方面也很重要。声致发 光所需声场能量很小，由于空化气泡破碎而发射光量子可能放大了 11 个数量级，很是惊 人。这些现象的机理、频谱等很值得研究。 5. 扫描声学显微镜。1949 年，索柯罗夫在《超声显微镜》一文中说：“超声显微镜 可以在不透明的媒质中取得小物体的像，和这种媒质中不纯的质点或杂质的像。”他虽然 从 1936 年提出超声显微镜的概念起，几十年中并未能实现他提出的两项重要的应用，因 为他无法产生较高的频率。一直到本世纪 60 年代中叶，薄膜换能器出现了，这才有了可 能。从 1974 年制出第一架扫描声学显微镜起，现已有很大发展，在室温下分辨率可达到 0.2 微米，在低温下到 0.02 微米，理论上还可能高得多。所用频率在水中为 3 兆赫，在 流氦中