声波

声波（sound wave，acoustic wave）也称为弹性波，是机械振动或气流扰动引起周围弹性介质发生波动的现象，同时也是一种机械波。声波可以在气体介质、液体介质及固体介质中传播，但不能在真空中传播。声波的基本属性主要有声压、声强、声速、声阻抗和声阻率，物理参数主要包括频率、波长和周期，人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz（赫兹）至20kHz之间。

声波是机械振动或气流扰动引起周围弹性介质发生波动的现象，声波也称为弹性波。声波的定义有两种：一是弹性媒质中传播的压力、应力、质点位移、质点速度等的变化或几种变化的综合；二是声源产生振动时，迫使其周围的空气质点往复移动，使空气中产生附加的交变压力，这一压力波称为声波。产生声波的物体称为声源，传递振动的物质就叫做媒体或介质，声波所波及的空间范围称为声场。根据声波波动过程的物理性质，以及应用物理学中三个基本定律即牛顿第二定律、质量守恒定律以及描述压强、体积和温度等状态参数关系的物态方程，建立的声压

随空间位置和时间变化的数学表达式，可以推导出理想媒质中的声波方程为：

式中

，表示直角坐标的拉普拉斯算子；

表示声速。另外需强调，该方程是理想流体媒质中的小振幅声波的波动方程。它是在忽略了二阶以上微量后求得的，故亦称线性声波动方程。

声音是人类最早研究的物理现象之一，在东西方，大家都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的听觉。对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的，他在《两门新科学》中指出，音调的高低是由它的振动频率决定的，振动频率的比例关系是两个音的相对高度的原因。他还认识到弦的振动频率与弦的长度、张力和质量有关。1636年，默森（Marin Mersenne）提出了弦线振动除基音以外还有泛音，并具体测出了在已知距离内所看到的火枪的闪光和所听到的响声之间的时间差，从而得出了空气中的声速为每秒1380英尺。1793年夏天，斯帕拉捷（Lazzaro Spallanzani）发觉蝙蝠能在漆黑的夜空之中飞行，便开始研究实验，发现蝙蝠堵住耳朵后，飞行四处碰壁。最后得出了蝙蝠靠听觉辨别方向的结论。最终他发现了超声波的存在。后来，人们根据机械振动波的频率将20000赫兹以上的称为超声波。1845年，布伊斯一巴洛特（Christaph Heinrieh Dietrich Buys-Ballot）在铁路边证明了波动理论同样适用于声波：当火车从远方驶来时汽笛声调变高，而当火车向远方驶去时汽笛声调变低。1866年，德国物理学家孔脱（August Kundt）设计出了“孔脱管”实验，在管子中撒上软木粉末，粉末将在波节处聚集，从而显示出驻波的存在，它非常直观地显示出声波是纵波。利用“孔脱管”可以测量声波在不同气体中的传播速度，也可以测量声波在各种不同固体中的传播速度、波长和频率。1957年，俄罗斯加夫雷奥（Gavreau）接到指令在马赛市研发能打核战争的机器人，然而团队全体人员在研究过程中都患上了恶心呕吐的怪病。于是加夫雷奥对大楼进行了彻底检查，终于找到了症结所在，原来是一台靠马达驱动的空调在作怪，只要这台空调一关，怪病就会消失。由此，加夫雷奥发现了“人耳听不到的声音”——次声波。到了第二次世界大战时期，各国竞相研究和生产军用的超声波探测仪。自超声波被发现后，超声技术的发展开始是应用于军事及海洋方面，后用于二次世界大战的反潜以及海洋探测方面。到了20世纪50-60年代，人们已经制造出了超声波探伤仪、超声波测量仪、超声波加工机、超声波清洗机、超声波诊断和治疗仪，超声技术在生产、科研的许多方面得到迅速发展和广泛的应用。

声波的分类、特点及用途

本质上讲，声速是介质中微弱压强扰动的传播速度，计算公式为：

在固体中，纵波、横波及表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。在固体中传播速度计算公式为：

式中，

是固体介质的杨氏模量；

是固体介质的泊松比；

是固体介质的剪切弹性模量；

声阻抗是指媒质在波阵面某个面积上的声压

与通过这个面积的体积速度

的复数比值，公式为

表示声波传导时介质位移需要克服的阻力。体积速度是穿过面积

的介质流动速度，声阻抗越大则推动介质所需要的声压就越大，声阻抗越小则所需声压就越小。

声波可以在气体介质、液体介质及固体介质中传播，但不能在真空中传播。

声波的传播主要有三种方式，分别为平面波传播、球面波传播和柱面波传播。声波的波阵面垂直于传播方向的传播方式被称为平面波传播。平面波在空气中传播的过程中，声压和质点速度同相位。在理想的媒介中，声压和质点速度不随距离的变化而变化。在自由空间中，当声源尺寸较相应的波长小很多时，远离声源处的声场一般可作为平面波来处理。波阵面为同心球面的声波被称为球面波。对于球面波，离声源任意距离上的声强与距离的二次方成反比、声压与距离成反比、声压和振动速度之间的相位差与球面波的半径对波长的比值成反比。任何形状的声源，只要尺寸比波长小得多，都可以看作点声源辐射球面波处理。波阵面为同轴圆柱面的声波被称为柱面波。在柱面声波中，声压振幅沿轴向均匀分布，沿径向与轴距的二次方根成反比；其径向声强与轴距成反比。通过的动车所辐射的噪声即为这种柱面波。

声波的传播方式

当声波从一种介质传播到另一种介质时，其在两介质的分界面上将发生反射和折射，并满足波的反射定律和折射定律。如下图所示，在两种介质的上，一部分能量反射回至原介质内的波，称反射波；另一部分能量则透过分界面，在介质内继续传播的波，称折射波。

声波的反射与折射

声波在介质传播的过程中，随着传播距离的增加，能量逐渐减小的现象称为声波的衰减。声波衰减与声波频率、传播介质结构及特性有关，因此，研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及特性。引起声波衰减的主要原因有以下三个：扩散衰减声波在传播过程中，由于波阵面的扩大（即波束发散），声波的能量随距离增加而逐渐减小的现象称为扩散衰减或几何衰减。声波的扩散衰减仅取决于波阵面的形状，与介质的性质无关，柱面、球面波阵面波几何衰减分别为

。散射衰减声波传播过程中，遇到不同声阻抗介质组成的界面时，将发生散乱反射（散射），从而损耗声波能量，这种衰减称为散射衰减。散射主要在粗大晶粒（与波长相比）的界面上产生。由于晶粒排列不规则，声波在斜倾的界面上发生反射、折射及波形转换（统称散射），都会导致声波能量的损耗。黏滞衰减声波在介质中传播时，由于介质的黏滞性而造成质点之间的内壁摩擦，从而使一部分声能变为热能。由于介质的热传导，介质的疏、密部分之间进行的热交换也会导致声波能量的损耗，这就是介质的吸收现象。由介质吸收引起的衰减称为黏滞衰减。

超声波在人体内传播过程中，其振动能量会不断地被人体组织所吸收。造成人体组织吸收声波能量的机制有以下几种：粘滞吸收声波在媒质中传播时，进入振动的质点不可避免地要克服周围质点对它作用的粘滞阻力作功，从而要引起一部分声波能量的消耗。热传导吸收声波在弹性介质中传播，介质中的质元，迅速地作压缩和拉伸运动，因而所吸收的能量一部分将转换为热量，向四周传递，并且这种传递热量是一种不可逆过程，因此会造成部分声波能量的消耗。弛豫吸收声波在介质中传播，介质质元作周期性运动，从而引起介质周期性的压缩和拉伸。介质质元在这种周期性的压缩和拉伸作用下，引起介质内部分子运动（分子平动、振动和转动）状态的转换，并且这种状态转换也是不可逆过程。当分子从一个状态转换到另一个状态时需要消耗能量，而且这种状态的转换，不是瞬间能够完成的，而是需要一定的时间。这种介质内部分子运动对声波能量的吸收，即称为弛豫吸收。

声波在媒质中传播时，媒质的质点随波而振动。倘若有两列或两列以上的声波同时传播到空间某点时，则该点的质点振动即是各列声波单独引起振动的矢量和，这就是声波的干涉现象。如果两个声波的密部和疏部同时抵达某处，这两个波将在该处相互抵消，使空气恢复平静，这样原来的声音将变的很弱，甚至听不清；如果一声波的密部（或疏部）遇见另一声波的密部（或疏部）则加强了空气的振动，使声音变得更强。

任何物质的粒子离开其常态位置的最大位移称为振幅。声波的振幅越大，反映到我们耳朵的感觉就是声音越响，也就是音量越大，反之则越小。

相位也可简称为“相”。一般来说，相位用来描述简谐振动（正弦振动或余弦振动）在某一个瞬间的状态。由于声波来源于振动，所以声波也有相位问题。相位用“相位角

”表示。如下图所示在一个波上的标示了一些点：A、B、C、D、E、F、G、H。其中A点对应于相位角0°，称为0°相；B点对应于相位角45°，称为45°相；C点对应于相位角90°，称为90°相；G点称为-90°相，等等。

声波的相位图

由图可见，在声波传播的路径上，每隔一个波长的距离，其相位相同；而每经历半个波长则其相位相反（相位角的符号相反）。

超声波截至2021年，工业生产用超声清洗是在金属塑料元器件、精密电子、航空器材等材料的表面处理方面最高效节能和绿色环保的技术手段。其中，超声焊接、超声钻孔、超声切削、超声抛光、超声凝聚、超声均化等实用技术也得到了广泛应用。次声波1.设备除灰：原理是将压缩空气的能量转化为次声波，利用次声波的频率振荡来为锅炉、过热器以及受热面等工业设备除灰。2.线材控冷：在线材冷却过程中，可利用次声波所产生的相对高速脉冲气流来提高线材与周围环境的热交换效率，进而通过与周边恒定气流的结合可有效将热空气排出。3.检查机器：机器零件因磨损导致的间隙不断改变，当超过一定限度，就会产生附加振动而发生一定频率的次声波。虽然人耳听不见，但可用次声波接收器来“收听”。

工程建设用超声检测是一项应用相当广泛的非破坏性检测手段。利用超声波的穿透能力和反射，可以制成超声波探伤仪，用来探查多种类型钢材、高压容器、大小机械部件等的缺陷；也可以测量模量、厚度、硬度、黏度、温度、液位、流速、井下地层结构；还可以用于水下定位与通信、地下资源勘查等，比如在石油勘探中，油井的含油量可利用超声在油层中的声速估计出来，方便了石油资源的开采。

用超声波处理农业生产用的种子，能加速种子的发育生长，有利于增加作物产量；野生草药和发育困难的种子利用超声波处理后，具有特别明显的增加作物产量的作用，还能使种子诱变遗传，创造农作物新品种。在食品加工中，超声萃取可大大提高水果蔬菜等汁液产量、质量和过滤速度；超声干燥对热敏性食品应用有很大潜力，可以提高湿气的去除率和干燥速度，并且被干燥的材料不会被破坏或吹走。

超声波国防军事中超声技术的研究和应用相当复杂和重要，已被划分到水声学领域。声呐技术在探测水中的暗礁和敌人的潜艇以及测量海水的深度等特殊领域中占有不可取代的地位。次声波利用次声波的强穿透性可以制造出能穿透坦克、装甲车的武器。

超声波医疗卫生用超声检查已逐渐成为诊断领域里非侵入性检查的主要方法之一。在医疗诊断领域利用超声技术制成彩超、B超得到了广泛应用，例如可对人体进行超声碎石、超声“开刀”等治疗，当贴着孕妇的肚皮进行扫描时，超声波到达各种身体组织的边界时会有不同程度的反射。接收器收到反射波，便可计算出反射的强度及反射面的距离，以分辨不同的身体组织，并得到胎儿的影像。另外，多普勒超声波扫描术主要用于检查血液在心脏及主要动脉中的流动速度。血液的流动情况会以一种颜色的影像显示出来，不同的颜色代表不同的流速，这有助于医生及早发现胎儿的先天性心脏问题。

B超

次声波人和其他生物不仅能够对次声波产生某些反应，而且人或其他生物的某些器官也会发出微弱的次声波，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。例如，次声波诊疗仪可以检查人体器官工作是否正常。次声波会与人体发生生物共振，研究发现可利用此特点研究对人体有利的次声波的应用。

许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就可以利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。比如，台风和海浪摩擦产生的次声波，由于其传播速度远快于风暴传播速度，所以可作为海洋风暴来临的“前奏曲”。这种次声波人耳无法听到，小小的水母对此却很敏感，仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了“水母耳”风暴预测仪，安装在舰船的前甲板上，能提前15h对风暴做出预报，对航海和渔业安全都有重要意义。