近代声学技术概述(第1次课)

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1、近代声学技术 与现代生活授课教师：宋 扬 开课单位：水声工程学院 课程主要内容B第一章 近代声学技术概述（2学时）B第二章 电声学及其相关技术（2学时）B第三章 环境声学及其相关技术（4学时）B第四章 声学探测（6学时）B第五章 其他活跃的声学分支介绍（2学时）参考文献B 近代声学概述，参阅相关期刊文献。B 影视录音电声学林达悃，中国广播电视出版社。B 建筑声学设计原理吴硕贤 中国建筑出版社B 检测声学原理及应用尚志远 西北工业大学出版社B 超声医学基础陈思平 人民军医出版社B 马大猷. 声学手册. 北京：科学出版社B 声学学报编辑委员会. 声学学报.声学学报编辑部B 应用声学编辑委员会. 应

2、用声学.应用声学编辑部B 声学技术编辑委员会. 声学技术.声学技术编辑部B 美国声学杂志编辑委员会. 美国声学杂志.美国声学杂志 编辑部第一讲 近代声学技术概述B人类主要通过光和声两种媒介来获取外部信息。B早在16世纪，伽利略就曾对弦的振动和发生做了详细 的观察和研究。B1978、1979年科学家瑞利发表了“声学理论”。B1900年Sabin发表”先进建筑声学”。B“次声”、“可听声”和“超声”，根据人类的感觉 对声做分类定义的。大象用次声交流，蝙蝠和海豚有 超声的语言。B但近代声学的研究和应用已远远超出人们听觉的限制 。覆盖了及其宽广的频率范围和及其广阔的领域 (0Hz1014Hz),形成了

3、许多的边缘学科。第一讲 近代声学技术概述B第一次世界大战中，探测水艇的需求刺激了超声学和 水声学的发展。BP.Langevin从1916年起研究产生和运用水下超声。B1920年，贝尔实验室开始开发现代电话通讯和心理声 学的研究。1940年起，声学进入了医学界和化学界， 超声透热疗法和超声加速化学反应的尝试。B在工业中也出现了早期的无损检测仪器。B二次大战中，提出了在极强噪声环境下(如坦克)的可 靠语言交流的需要，大大促进了声学的发展。第一讲 近代声学技术概述B经典声学的理论很早被提出来，但到二十世 纪后期，伴随着微电子科学技术、特别是半 导体集成电路得发明，计算机科学技术和其 它学科的发展和进

4、步，声学取得了巨大的飞 速的发展。B近代声学是在声学工作中应用电子技术而发 展起来的，实验条件的基础是电声测量技术.（一）近代声学特点及主要研究内容 B声学是一门研究声音的发生、传播、接收以及声波与 物质相互作用的科学 。B声学是一门渗透性很强的学科 。B声学已经成为近代物理科学中非常活跃的一个分支学 科。B近代声学有很宽阔的频率范围和媒质类别，分支既多 ，范畴又广，用其所长，舍其所短，就能充分利用声 波来达到各种不同目的 。（一）近代声学特点及主要研究内容B按照研究的对象和内容，近代声学有许多分 支。主要有：物理声学、线性声学、非线性 声学、语言声学、音乐声学、水声学、超声 学、量子声学、环

5、境声学、建筑声学、生理 声学、心理声学、生物声学、计量声学、电 声学、超声电子学、超声医学、声测量和仪 器、声信号处理等等 。声学分支和它们与科学技术及文化艺术的关系B中心圆内是近代声学 的基础 ;B内环声学的各个分支 学科 ;B外环中扇形面积是各 分支学科的应用范围;B最外面是分属五大类 学科.第一讲 近代声学概述B近代声学特点及主要研究内容 B近代声学的主要应用技术 （一）近代声学特点及主要研究内容B声学作为物理学基础学科的研究B声作为信息载体的研究 B声作为能量载体的研究 B声作为信号处理载体的研究 B声作为人类听觉载体的研究 B超声诊断和治疗 B声换能器和声信号处理 （一）近代声学特点

6、及主要研究内容（1）声学作为物理学基础学科的研究 B声学基本问题是振动和声的基本特性和各种 效应。 B对于声的辐射、传播和散射问题，扩展到对 脉冲波、对一些复杂形状的发声体和散射体 做研究。 B声学基本量的测量、特别是精确测量一般来 说是很难进行的 。B声与物质的相互作用研究是很重要的方面， 具有显著的交叉性。 声光效应、声致发光， 热声效应等。（一）近代声学特点及主要研究内容（2） 声作为信息载体的研究B声是机械波。声能够成为信号，作为信息的 载体，用于通讯、测量、检测、声波地质勘 探和控制等。电话语言通信研究、自动识别 的直接应用是声控开关。B目标的定位、测距、识别等，以及传声介质 声学特

7、性的测量，是超声学、水声学、大气 声学、超声医学、声波地质勘探等共同关心 的问题，但媒质、指标、先验知识的差别导 致面临的问题是不同。（一）近代声学特点及主要研究内容（3）声作为能量载体的研究B作为波动，声本身携带和传递能量。次声的 能量能够引起人或生物的不适，高声强的可 听声或超声环境中的老鼠和鱼类会很快死亡B声能能够改变物质的结构、状态、功能、或 加速这些改变的过程。产生极端物理环境， 如高温高压高电场，液体中“声空化效应” 是功率超声的主要作用机理。（一）近代声学特点及主要研究内容（4）声作为信号处理载体的研究B声作为信号处理载体的原理基于声与电磁波 、声与光、声与其它物质等的相互作用。

8、 B首先将电磁波信号转换成声信号，声信号经 过处理后再转换成电信号，这种将声作为信 号处理载体的思想是很巧妙的，并且有独特 优点的。 利用声波处理电磁波信号的器件体 积可以小15个数量级。电视机中的彩色解码 器，手机中的声表面波器件。（一）近代声学特点及主要研究内容（5）声作为人类听觉载体的研究B工作和生活的声学环境是环境保护的重要方 面。噪声控制成为重要的研究内容。B对声的心理学、物理学意义上的研究始终是 重点课题。B基于微穿孔板理论的小孔消声器在室内和隧 道内得到成功应用。（一）近代声学特点及主要研究内容（6）声换能器和声信号处理B几乎所有的声学分支都与换能器有关，也都 涉及到信号处理。

9、B换能器是声学和声学技术中最基本最重要的 器件。压电换能器、复合材料换能器、PVDF 薄膜换能器、电磁换能器等。（二）近代声学的主要应用技术 （1）超声在工业上的应用 a.大功率超声的工业应用B利用大功率超声波作用于物质，可改变物质的性质和 状态，如空化现象。B实现清洗、乳化、脱气以及使固体粒子悬浮、或使高 分子分解和聚合，促进化学反应等;在固体中发射大 功率超声，可用于粉碎、研磨、切割、加工和焊接等 等。B利用固体中超声波的特殊波形，研制成超声马达，具 有体积小、响应快、精度高和无电磁感应等特殊性能 ，适用于传真机、打印机等现代化办公设备中传送纸 张。 B超声清洗机B适用范围：电子零件、 电

10、镀、五金、钟表、机 械、表带、工具、光学 镜片、珠宝首饰、镜片 、眼镜架、半导体硅片 、喷丝板过滤芯及玻璃 器皿等的清洗。 B超声脱气清洗机B用于液相色谱、农残留 检测仪的配套，实验仪 器玻璃器皿的清洗、分 析前的脱气、 药物的分 散，加速化学反应等。 B清华研制出世界上最小的超声马达。B 利用直径1毫米的超声马达制造出来的血管机器人， 在直径为34毫米的血管里，将活动得更加灵活，使 血栓类疾病的治疗变得更加简单。这种小马达也可以 用在胃镜中，制成体积更小的摄像头。将其用在国防 上，则可以生产出更小的微型飞机，更方便、更隐蔽 地收集信息，而不必担心被对方识别。 B 日前，清华大学物理系声学研究

11、室研制出了直径为1 毫米的超声马达，并在中国“超声电机项目产业化论 坛”上得到众多专家的认可。专家们认为，这种直径 1毫米的弯曲旋转马达样机，是目前国际上直径最小 的超声马达。 （二）近代声学的主要应用技术(1)超声在工业上的应用 b.超声检侧和无损评价B超声无损评价(或超声检测)与电磁波、X光及粒子探 测技术并列为探索物质的四大技术。B物质内部的不均匀性如，气泡、裂痕、夹杂、疏松、 位错或脱粘等缺陷。引起超声波不同的反射信号。B测量流体的流速、流量、厚度、粘度、应力、温度及 液位等。 B声波在材料中的传播时间；声速随应力和温度而改变 等。B超声探伤仪B适用于金属和部分非金 属材料的无损检测，

12、尤 其适用于流动性大的野 外或高空作业探伤，可 作为无损检测人员资格 考核用标准化仪器。B数字超声探伤仪 B最高采样速率240MHz ，测量分辨率0.1mm， 最小显示范围5mm工作 频率范围分15，0.5 15MHz两档，分别突显 高灵敏度和宽频带的优 点界面波跟踪功能，通 过A、B闸门间的逻辑关 系，容易实现水浸法探 伤或精确测厚B 超声波细胞粉碎机 B 利用强超声在液体中产生空 化效应，对物质进行超声处 理，能用于多种动植物细胞 、病毒细胞的破碎，同时可 用来乳化、分离、匀化、提 取、消泡、清洗及加速化学 反应等等。被广泛应用于生 物化学、微生物学、药物化 学、表面化学、物理学、动 物学

13、等领域。 B 智能超声波流量计B 是利用超声波穿过流动的流 体时，沿着顺流方向和逆流 方向的传播速度不同，而产 生时间差的原理，设计制造 出来的。广泛的应用于管网 给排水、电厂锅炉给水、食 品加工清洗用水、纸厂用水 、地热取水、地下取水以及 化工厂腐蚀性高粘度的化学 液体的计量。 （二）近代声学的主要应用技术(2)光声学与激光超声 B光声效应：当强度调制的激光束照射于物质(包括气 体、液体和固体)时，物质吸收光能而产生热，周期 性热流使周围的介质热胀冷缩而激发声波，这种将光 能转化为声能的现象称为。B与红外照相(热像)技术相结合发展的热脉冲回波成像 技术，适合于对航空、航天飞机、输气、输油管道

14、等 大型机件的非接触式大面积的无损检测。 （二）近代声学的主要应用技术(3)声电子技术B声表面波器件可对信号完成传递、延迟、滤波、展宽 、压缩、移频、调制、解调、开关、放大、编码、解 码、卷积相关、报谱分析、富氏变换及其他数学变换 等信号处理功能。B声表面波器件广泛应用于通讯、雷达、电子对抗、电 视广播、光电子学以及传感控制等领城。目前主要是 几十兆赫至几百兆赫频段。 （二）近代声学的主要应用技术(4)生物医学超声B超声与X光、核磁共振成为医学三大诊断手段B超声诊断在医院中已普遍推广，许多疾病都可由超声 诊断仪(如A型扫描仪，B型超声断面显像仪，多普勒 血流图等等)早期发现。B超声治疗：利用超

15、声的热效应、振动效应以及由强振 动引起的空化效应。B超声外科手术：超声手术刀代替通常的手术刀，切除 人体病变组织。BB超诊断仪B扫描声成像是通过扫描 从不同位置“照明”物 体和接收含有物体信息 的声信号，经过相应的 适当处理，获得物体声 像，并在荧光屏上显示 以获得可见图像。B超声治疗原理： 可调超声能量穿透至 病变部位并聚积，由表 及里，从里到外的治疗 ，精确定位，表皮无损 伤； 病变组织在超声波的 热效应、机械效应、空 化效应作用下发生可逆 改变的细胞在微循环改 善恢复功能BTXD-I型肿瘤低频超声 辐射微波治疗仪，应用 于临床，治疗恶性肿瘤 取得了可喜的疗效，为 癌症二、三期患者遏制 恶

16、性肿瘤生长和继续扩 散，提供了有效的治疗 方法。 B 该仪器应用超声波的“切割 效应”及“空化效应”将白 内障晶体破碎乳化后吸出眼 外，植入人工晶体，以恢复 视力。超声乳化术是目前世 界上最先进的白内障手术 。B 美国ALCON超声乳化系统( 珠峰20000系列)。世界第一 流的超声乳化系统。（二）近代声学的主要应用技术(5)声化学和声空化B利用超声来加速化学反应，增加反应产率和 引发新的化学反应等。 B声化学技术在生产上可望首先为合成塑料、 洗涤剂、制剂和化肥等化工工业方面带来重 大变革，因此受到化工生产行业的极大关注 。 B 超声酿酒机B 超声波萃取、陈化与醇化超 声波萃取技术主要用在制药 、食品、生物工程等领域， 而超声波酿酒醇化仪主要是 应用在酿酒与香水制造业。 将超声波作用于发酵液，可 增加细胞膜的透性和选择性 ，促进酶的分泌，增强细胞 的代谢过程，从而缩短发酵 时间，改善生物反应条件， 提高生产效率。 （二）近代声学的主要应用技术(6)语言信息处理a.语言识别:旅行信息查询、飞机订票、城市查 勘以及办公室