關于物理聲學特性的研究與分析

　　摘要： 聲音主要由音量、音色、音調等幾種元素組成，物理聲學對此有著非常廣泛的研究。對于物理聲學的研究成果應用也是非常廣泛的，從醫療到建筑、海洋探測、地震探測等，無處不顯示著物理聲學所發揮出的重大作用。本文對物理聲學中的超聲波與次聲波的聲學特點進行了簡要的分析，并對二者的功能與用途進行了相應的探討。
　　關鍵詞： 物理聲學 超聲波 次聲波 特性 研究
　　聲波通常意義上是指人耳所能感覺到的一種縱波，它的頻率范圍在16Hz-20KHz之間。而在物理聲學的研究中，通常將頻率在20Hz以下的聲波稱為次聲波，而將頻率大于20KHz的稱為超聲波。近些年來，隨著科學技術的不斷發展，聲波在國內外的各個領域的應用都較為廣泛，同時也對其研究提出了更高層次的要求。在物理聲學研究組成中，對于超聲波與次聲波的研究更受到了廣泛的關注，加強對于二者的研究力度以使之更適用于社會各項經濟文化建設已經成為未來物理聲學研究發展方向之一。
　　1.超聲波與次聲波的特性
　　1.1超聲波的特性
　　1.1.1束射特性
　　因超聲波的波長較短，它能夠和其他光線一樣具有反射、折射與聚焦特性，并且其也滿足一些基本光學定律要求。當超聲波傳輸到一種物質表面而發生反射時，其會遵循幾何光學定律，即反射角等于入射角。而當其在兩種不同的介質之間傳播時，它會因介質密度的不同而發生折射，此時它的傳播方向也就會隨之發生改變，當兩種介質之間的密度差別越大時，其發生折射的程度就會越大。
　　1.1.2吸收特性
　　超聲波在物質中進行傳播時，隨著時間的推移，其強度與能量會逐漸減弱，其原因是物質會將其部分能量吸收。對于同一種物質而言，其吸收率與超聲波的頻率成正比，即超聲波的頻率越大，其吸收率就越大。相關物理聲學研究表明：對于特定頻率的超聲波而言，其在氣體中傳播時所體現的吸收特性要強于液體與固體，其中在固體中傳播時該特性體現得最不明顯。
　　1.1.3能量傳送特性
　　超聲波能夠在社會各個行業部門得到較為廣泛的應用，與其自身具有較大的能量有著非常大的關系。與普通的聲波相比，超聲波具有更為強大的功率。然而之所以出現這樣的現象，是因為當超聲波傳達到某一物質中時，它會使物質中的分子也隨之振動，并且振動的頻率與聲波一致，也就是我們常說的共振。值得一提的是，分子振動的頻率決定了其振動速度，即頻率越高其速度也就越大。
　　1.1.4聲壓特性
　　當聲波傳入到物體中時，因引發物質分子產生的緊縮與稠密作用會使物質所受的壓力產生變化，這種因聲波振動所產生的附加壓力稱為聲壓作用。因超聲波所蘊含的能量較大，其通常情況下會使物質分子體現出非常顯著的聲壓作用，例如當液體表面有超聲波沖擊時，其表面壓力可以達到好幾個大氣壓力。液體在這種短暫的較強壓力作用下，會使其溫度瞬間升高，這種作用也會使懸浮在液體表面的固體物質遭到破壞，也就是我們常說的空化現象，超聲波洗衣機便是這一現象的一個典型應用。
　　1.2次聲波的特性
　　次聲波的頻率通常在20Hz以下，而且不容易生衰減，同時也不易于被空氣和水吸收。與超聲波相比，它也具有束縛與吸收特性，同時其波長一般都比較長，在傳播過程中可以繞開較大的障礙物而發生衍射，甚至有些次聲波可以繞地球傳播2到3周。但值得一提的是，次聲波的頻率與人體器官的振動頻率相近，容易與人體器官發生共振現象，所以對人體會有一定的傷害。但是其應用范圍也比較廣泛，如醫療診斷、地震等自然災害預測等。
　　2.超聲波與次聲波的應用分析
　　2.1超聲波的應用分析
　　對于超聲波的應用一般是利用其聲波傳播特性與其自身所蘊含的強大能量，下面就以其在兩個方面的應用對超聲波的應用進行簡要的分析。
　　2.1.1在彈性模量測量中的應用
　　在各向同性的固體材料中，可以按照應力與虎克定律將超聲波傳播的特征方程求出。對于同一種材料而言，超聲波的縱波與橫波傳播速度一般不同，但它們都受到介質密度、泊松比、楊氏模量等參數的影響。同時，通過測量超聲波在物體材料中的傳播速度也可將測量材料有關的彈性常數求出。
　　2.1.2超聲波在混凝土檢測中的應用
　　利用超聲波可以對混凝土內部的松散區域與漏洞進行檢測，其作用原理是，當發射探頭所發出的超聲波在傳播過程中遇到空洞時就會發生反射而使其能量衰減，同時另一部分就會沿著孔壁繼續傳播，這些聲波最后被統一接收，最終從超聲儀上分析出不同混凝土層存在的差別。同時，通過不同時間點數據變化情況，以及超聲波波形、振幅所發生的變化，可以解算出混凝土內部空洞的大致尺寸。需要注意的是，這一應用主要是用于判斷其內部是否存在空洞或是缺陷，之后再進行后續的操作。在開展具體的混凝土檢測工作過程中，需布置大量的測點。如材料兩側的測試面平行，就可用對測法來進行測量，當只有一對測試平行面時，也可在對測的基礎上進行交叉斜測，并對可疑區域進行加密測量。
　　2.2次聲波的應用（以在醫學的典型應用為例）
　　在不超過人體正常所承受的頻率范圍內，次聲波可以使人精神飽滿。在相對較弱的次聲波外界作用下，還可以使人體抗氧化系統酶活性增強。同時，次聲波在醫學診斷與治療方面也有著較為廣泛的應用，如利用次聲波可以治療近視、骨質疏松等癥狀。同時利用次聲波也可以診斷出心臟等部位的某些疾病，如頸動脈機能不全綜合征等。其次，次聲波還具有催眠與鎮定的作用，在醫學上可以用其進行硬膜外麻醉或局部麻醉，效果顯著，并且非常安全。
　　參考文獻：
　　[1]路斌.哈特曼聲波發聲器聲學傳播特性及應用研究[J].石油大學學報：自然科學版，2004，28，（6）：123-125.
　　[2]散志華，顧秀娟，孫心平等.超聲波的物理特性與超聲波檢查的適應征[J].中國醫療裝備，2011，26，（5）：130-131.
　　[3]呂君，趙正予，周晨.次聲波在非均勻運動大氣中非線性傳播特性的研究[J].物理學報，2011，60，（10）：408-41