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声学基础 第二章 声波的基本性质
第二章 声波的基本性质
§2.1 概述
2.1.1 声波的物理量
1、声压 指由声扰动产生的逾量压强,即声波引起的介质压强起伏与介质
静压的差值。 声压通常是空间和时间的函数。
介质中的实际压强为 (2-1-1)
2、介质的密度和温度
与声压的概念相似,声扰动或声波同样可以引起介质密度和温度的起伏。
(2-1-2)
和同样是空间和时间的函数。不过一般情况下,这种起伏通常较小(详见小振幅声波或线性声学基本假设),可以近似认为: , 即忽略密度和温度的起伏,近似认为它们为常量。
3、声波中的质点振动位移和振动速度
指产生或传播声波的质点(或微元体)在其平衡位置附近的振动位移和振动
速度。通常它们是矢量(场)。
4、声速
指声波在介质中的传播速度,分为相速度和群速度。关于它们以后再介绍。
5、声波的频率、角频率、波长、周期等是我们熟悉的物理量,此处不再赘述。描述声波的物理量还有许多,以后还要陆续介绍。
2.1.2 声波分类
关于声波有多种分类方法很多,常见的分类方法主要有:
根据波阵面(或等相位面)的形状或波源的几何特征,可以将声波分为:
球面波(点源);2、柱面波(直线源);3、平面波(平面源)
根据波的振动方向与波传播方向的几何关系,可以将声波分为:
纵波,振动方向与波传播方向平行;
横波,振动方向与波传播方向垂直;
根据介质的几何尺寸和形状,还可将其中的声波分类为体波和导波,前者指在无限大介质中传播的波,而后者则指在有限介质中传播的波。另外根据介质的理想化程度和对其数学描述的近似程度,把声学划分为:
线性声学 理想介质
理想介质 线性声学
非线性声学 实际介质
声学 或 声学
线性声学 理想介质
实际介质 非线性声学
非线性声学 实际介质
流体介质因具有不可压缩性,同时其粘滞系数较小,对剪切应力的传递能力有限,因此其中只能传播纵波。固体介质中则既有纵波,又有横波;根据其尺寸大小和几何形状,还能产生表面波、板波和其它特殊的波(即导波)。
本课程主要介绍理想介质的线性声学,对实际介质中的声波和非线性声学也略作介绍。
2.1.3声波的基本假设
在对声学问题进行理论分析和研究时,为了使问题尽可能简化,在不影响精度的前提下,人们常常提出各种不同的假设或近似条件,主要有:
1 绝热假设
声波传播过程中,介质受到声扰动部分与其毗邻部分是绝热的,即忽略各部分之间由于声扰动引起的温度差而产生的热量交换。
2 热力学平衡状态假设
没有声扰动时,介质在宏观上是静止的,即初速度为零;介质的温度、压强和密度均处于热力学平衡状态,不随时间变化。
3 无限大均匀介质假设
除特别声明外,均假设介质是无限大和均匀的。无限大介质并非强调介质的
尺寸大小,而是强调声波不受边界的反射、折射等的影响。对无限大介质中的声
波,其传播规律只需满足波动方程,而有限介质中的声传播规律,不仅需满足波
动方程,同时还需满足边界条件;均匀介质则强调除声扰动的影响外,介质的密度不随位置变化。
4 理想介质假设
声波在介质中传播时无能量损耗。
5 小振幅声波假设
线性声学范围内,介质中传播的是小振幅声波,各声学变量都是一级微量(不包括声能量和动量的描述),具体说①声压远小于介质的静态压强,即;②声波中的质点振动速度远小于声波在介质中的传播速度,即;③声波中的质点位移远小于声波的波长,即;④声扰动引起的介质密度增量远小于其静态密度,即。理论上可以严格证明,上述小振幅声波的四个条件是等效的,其中任何一条满足,其余三条自然满足。(详细的讨论请见杜功焕等编写的《声学基础》P197,4.9节的讨论)。
§2.2 理想流体介质中的小振幅声波
2.2.1 理想流体介质中小振幅声波一维波动方程
在理想介质中建立波动方程需要根据一下三方面的基本规律来完成,它们是:
1) 牛顿运动定律,联系介质微元体质量、受力和加速度三者关系。
2) 质量守恒定律或连续性法则,即介质中单位时间内进入微元体的质量与流出微元体的质
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