关于物理声学特性的研究与分析

摘要： 声音主要由音量、音色、音调等几种元素组成，物理声学对此有着非常广泛的研究。对于物理声学的研究成果应用也是非常广泛的，从医疗到建筑、海洋探测、地震探测等，无处不显示着物理声学所发挥出的重大作用。本文对物理声学中的超声波与次声波的声学特点进行了简要的分析，并对二者的功能与用途进行了相应的探讨。

关键词： 物理声学 超声波 次声波 特性 研究

声波通常意义上是指人耳所能感觉到的一种纵波，它的频率范围在16Hz-20KHz之间。而在物理声学的研究中，通常将频率在20Hz以下的声波称为次声波，而将频率大于20KHz的称为超声波。近些年来，随着科学技术的不断发展，声波在国内外的各个领域的应用都较为广泛，同时也对其研究提出了更高层次的要求。在物理声学研究组成中，对于超声波与次声波的研究更受到了广泛的关注，加强对于二者的研究力度以使之更适用于社会各项经济文化建设已经成为未来物理声学研究发展方向之一。

1.超声波与次声波的特性

1.1超声波的特性

1.1.1束射特性

因超声波的波长较短，它能够和其他光线一样具有反射、折射与聚焦特性，并且其也满足一些基本光学定律要求。当超声波传输到一种物质表面而发生反射时，其会遵循几何光学定律，即反射角等于入射角。而当其在两种不同的介质之间传播时，它会因介质密度的不同而发生折射，此时它的传播方向也就会随之发生改变，当两种介质之间的密度差别越大时，其发生折射的程度就会越大。

1.1.2吸收特性

超声波在物质中进行传播时，随着时间的推移，其强度与能量会逐渐减弱，其原因是物质会将其部分能量吸收。对于同一种物质而言，其吸收率与超声波的频率成正比，即超声波的频率越大，其吸收率就越大。相关物理声学研究表明：对于特定频率的超声波而言，其在气体中传播时所体现的吸收特性要强于液体与固体，其中在固体中传播时该特性体现得最不明显。

1.1.3能量传送特性

超声波能够在社会各个行业部门得到较为广泛的应用，与其自身具有较大的能量有着非常大的关系。与普通的声波相比，超声波具有更为强大的功率。然而之所以出现这样的现象，是因为当超声波传达到某一物质中时，它会使物质中的分子也随之振动，并且振动的频率与声波一致，也就是我们常说的共振。值得一提的是，分子振动的频率决定了其振动速度，即频率越高其速度也就越大。

1.1.4声压特性

当声波传入到物体中时，因引发物质分子产生的紧缩与稠密作用会使物质所受的压力产生变化，这种因声波振动所产生的附加压力称为声压作用。因超声波所蕴含的能量较大，其通常情况下会使物质分子体现出非常显著的声压作用，例如当液体表面有超声波冲击时，其表面压力可以达到好几个大气压力。液体在这种短暂的较强压力作用下，会使其温度瞬间升高，这种作用也会使悬浮在液体表面的固体物质遭到破坏，也就是我们常说的空化现象，超声波洗衣机便是这一现象的一个典型应用。

1.2次声波的特性

次声波的频率通常在20Hz以下，而且不容易生衰减，同时也不易于被空气和水吸收。与超声波相比，它也具有束缚与吸收特性，同时其波长一般都比较长，在传播过程中可以绕开较大的障碍物而发生衍射，甚至有些次声波可以绕地球传播2到3周。但值得一提的是，次声波的频率与人体器官的振动频率相近，容易与人体器官发生共振现象，所以对人体会有一定的伤害。但是其应用范围也比较广泛，如医疗诊断、地震等自然灾害预测等。

2.超声波与次声波的应用分析

2.1超声波的应用分析

对于超声波的应用一般是利用其声波传播特性与其自身所蕴含的强大能量，下面就以其在两个方面的应用对超声波的应用进行简要的分析。

2.1.1在弹性模量测量中的应用

在各向同性的固体材料中，可以按照应力与虎克定律将超声波传播的特征方程求出。对于同一种材料而言，超声波的纵波与横波传播速度一般不同，但它们都受到介质密度、泊松比、杨氏模量等参数的影响。同时，通过测量超声波在物体材料中的传播速度也可将测量材料有关的弹性常数求出。

2.1.2超声波在混凝土检测中的应用

利用超声波可以对混凝土内部的松散区域与漏洞进行检测，其作用原理是，当发射探头所发出的超声波在传播过程中遇到空洞时就会发生反射而使其能量衰减，同时另一部分就会沿着孔壁继续传播，这些声波最后被统一接收，最终从超声仪上分析出不同混凝土层存在的差别。同时，通过不同时间点数据变化情况，以及超声波波形、振幅所发生的变化，可以解算出混凝土内部空洞的大致尺寸。需要注意的是，这一应用主要是用于判断其内部是否存在空洞或是缺陷，之后再进行后续的操作。在开展具体的混凝土检测工作过程中，需布置大量的测点。如材料两侧的测试面平行，就可用对测法来进行测量，当只有一对测试平行面时，也可在对测的基础上进行交叉斜测，并对可疑区域进行加密测量。

2.2次声波的应用（以在医学的典型应用为例）

在不超过人体正常所承受的频率范围内，次声波可以使人精神饱满。在相对较弱的次声波外界作用下，还可以使人体抗氧化系统酶活性增强。同时，次声波在医学诊断与治疗方面也有着较为广泛的应用，如利用次声波可以治疗近视、骨质疏松等症状。同时利用次声波也可以诊断出心脏等部位的某些疾病，如颈动脉机能不全综合征等。其次，次声波还具有催眠与镇定的作用，在医学上可以用其进行硬膜外麻醉或局部麻醉，效果显著，并且非常安全。

参考文献：

[1]路斌.哈特曼声波发声器声学传播特性及应用研究[J].石油大学学报：自然科学版，2004，28，（6）：123-125.

[2]散志华，顾秀娟，孙心平等.超声波的物理特性与超声波检查的适应征[J].中国医疗装备，2011，26，（5）：130-131.

[3]吕君，赵正予，周晨.次声波在非均匀运动大气中非线性传播特性的研究[J].物理学报，2011，60，（10）：408-417.