《声现象及其前沿发展--讲稿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《声现象及其前沿发展--讲稿（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 声现象声现象声波(1)定义或解释 在弹性媒质中传播的一种机械波叫做声波，声波是一种纵波。(2)说明传播声波的媒质，可以是气体，也可以是液体或固体，但在不同的媒质里传播的速度是不同的，而且波速也跟温度有关。我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。频率在 20 Hz 到 20000Hz 之间的声波传人人耳所引起鼓膜的振动，能刺激听神经而产生声的感觉。当声波的频率高于 20000 Hz 或低于 20 Hz 时，一般不能引起人的感觉，分别叫做超声波和次声波。一、超声波一、超声波1 1、人耳听不见的声、人耳听不见的声 音音超声波和次超声波和次 声波声
2、波 2 2、噪声、噪声 3 3、声波：物质世界声波：物质世界 的魔术师的魔术师超声波：超声波：超声超声波波是一种频率高于人的可听声波频率范围的声波。（频率高于 20000 Hz ）虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有此本领。它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔，它们为什么在没有光亮的情况下飞翔而不会迷失方向呢？原因就是蝙蝠能发出 210 万赫兹的超声波，这好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的。我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状
3、态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在 1942 年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了 60 年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。1.超声波的特点: 1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。 （治疗） 超声波是一种波动形式，它可以作
4、为探测与负载信息的载体或媒介（如 B 超等用作诊断） ；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗） 。2.超声效应 当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下 4 种效应：机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超
5、声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。热效应。由于超声波频率
6、高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变 。3.超声应用 超声效应已广泛用于实际，主要有如下几方面：1、声纳人们利用超声波定向性好，在水中传播距离远特点制成声纳，可以发现潜艇和鱼群，还可以
7、测绘海底形状。 2、超声波诊断仪超声波可以成像。医院利用 B 型超声波诊断仪做胃部、腹部检查，还可以观察胎儿的发育情况。3、超声波速度测定器利用超声波的多普勒效应制成速度测定器，交警在高速公路上测定车辆的速度。 4、超声波清洗器超声波能使清洗液剧烈振动，有去污作用，人们制成超声波清洗器。 5、超声波焊接器超声波还能使塑料膜之间摩擦生热，粘合在一起，制成超声波焊接器。 超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不
8、透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，
9、另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程， 并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学
10、这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质 。但对频率在 1012赫以上的特超声波 ，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的 ，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域量子声学。二、次声与次声源 次声波又称亚声波，它是一种频率低于人的可听声波频率范围的声波。次声波的频率范围大致为 10420 赫。人的耳朵听不见次声。次声在大气中传播时，
11、由于其频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小（吸收系数与频率的二次方成正比） ，因此能传播很远的距离。 早在 19 世纪，人们就已记录到了自然界中一些偶发事件(如大火山爆发或流星爆炸)所产生的次声波。其中最著名是 1883 年 8 月 27 日，印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，它产生的次声波传播了十几万公里，当时用简单微气压计都可以记录到它。20 世纪三十年代，苏联地球物理学家 B.B.舒列金发现了由海浪产生的次声波。1961 年，苏联在北极圈内进行了一次核爆炸，产生的次声波竟绕地球转了 5圈之后才消失！现在知道的次声源还有：地震、激光、飞机飞行、流星、极光、电离层扰动、晴空湍流、海啸、台
12、风、雷暴、龙卷风、雷电等。 1.次声的危害 次声波虽然人耳听不到，但它们的破坏力却大得令人惊奇。人体各器官、部位的固有频率在 00120 赫之间，在次声频率范围。高强度的次声波能引起人体内脏器官的强烈共振，轻者导致头昏、呕吐、呼吸困难、恶心、痉挛、休克，重则致人昏迷、瘫痪，甚至五脏六腑破裂而死亡。 2.次声的利用 早在第二次世界大战前，次声已应用于探测火炮的位置，可是直到50 年代，它在其他方面的应用问题才开始被人们注意，它的应用前景很广阔，大致可分为下列几个方面： （1）通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些
13、自然现象的特征与规律。更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。（2）利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。大小和研究其他特性。例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。 (3)预测自然灾害性事件，许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发生前可能会辐射出次声波，因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件。 (4)次声在大气中传播时，很容易受到大气媒质的影响，它与大气中风和温度分布等有密切的联系。因此可以通过
14、测定自然或人工产生的次声波在大气中传播特性的测定，可以探测某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。 (5)通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰。可以通过测定次声波的特性，更进一步揭示电离层扰动的规律。同样，通过测定声波与重力波或其他波动的作用，可以研究这些波动的活动规律。 (6)人和其他生物不仅能够对次声产生某种反应，而且某些器官也会发出微弱的次声，因此可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况 3.次声武器 次声波武器即一种由高能放大器驱动特
15、制扬声器发射大功率 20 赫以下的低频声波即次声波的武器装置，一般由次声波发生器、动力装置和控制系统组成。 目前研制的次声波武器主要有两类：一是神经型次声波武器，它的振荡频率同人类大脑的阿尔法节律（812 赫）极为相近，产生共振时能强烈刺激大脑，使人神经错乱，癫狂不止；另一类是内脏器官型次声波武器，其振荡频率与人体内脏器官的固有振荡频率相近，可使人的五脏六腑产生强烈共振，破坏人的平衡感和方向感，使人恶心、呕吐及剧烈不适而失去战斗力。次声波还有渗透性强的特点，次声波炸弹一旦命中目标，转瞬之间，在方圆十几千米的地面上，所有的人将统统受到伤害。次声波可穿透 15 米厚的混凝土和坦克装甲钢板，即使人员
16、躲进地铁、防空洞或坦克、装甲车辆内也不能幸免。次声波弹和中子弹一样，只杀伤生物而不摧毁建筑物，但它的杀伤威力却大大超过中子弹。 反恐新利器：为预防劫机事件，美国目前研制出一种次声波枪。这种新型声波武器可以发射 “声波子弹” ，即集束声波。威力强大的集束声波能够使劫机分子暂时失去行动能力，从而阻止劫机事件的发生。但这种声波不会对飞机本身造成丝毫损害。美国新增加的空中警察将配备这种新型声波枪。 新型声波枪的模型已由总部设在加利福尼亚州圣迭戈的美国技术公司设计完成。其主要部件是一个长一米、口径为 40 毫米的聚合物合成管。这种聚合物合成管由一系列压电器件组合而成。每个压电器件都相当于一个微型扩音器。声音每经过一个压电元件都会得到加强和集成。当声波从合成管另一端射出时，便成为一束威力强大的集束声波，能使人暂时丧失方向感，甚至昏厥。 美国技术协会会长诺里斯说：“这种声波枪能在 12 秒钟内产生超过 140 分贝（分贝是声压级单位，记为 d B 。是计量声音强度相对大小的单位，分贝值表示的是声音的量度单位。分贝值每上升 10 ，表示音量增
