关于声吸收介绍

[拼音]：shengxishou

[外文]：absorption of sound

在实际传声媒质里声能传播的途中渐转变成热，从而出现随距离而逐渐衰减的现象。实际的传声媒质（包括各种气体、液体和固体以及其他物态）都是非理想的。声吸收过程是一个耗散过程。声吸收与声速常有密切的关联，因此研究声吸收问题时，往往要同时考虑频散（见声速）。

引起媒质对声吸收的原因很多。在静止和均匀流体媒质中主要原因有媒质的粘性、热传导以及媒质的微观动力学过程引起的弛豫效应等；在非纯媒质（如大气中含有灰尘粒子、液态雾滴等）中，在声波作用下，这些悬浮体对媒质作相对运动而产生的摩擦损耗，以及在水雾中的弛豫效应等也是引起声吸收的原因。

由于声吸收的客观存在，在研究声学现象时不能不引起普遍关注。例如对大型厅堂中频率在1000Hz以上的声音，空气的声吸收常会成为决定室内混响时间的重要因素。由于含有一定的化学物质，海水中的中频声吸收要显著高于纯水。可是地震、火山爆发时发出的声音，因含有远低于20Hz的次声成分，却可以持续绕地球转几个圈。由此可见，声波的吸收既决定于媒质的一些特性，也与声波的频率有关。反过来，从声吸收规律来探索（物质）媒质的特性和结构，也就日益形成一个强有力的研究手段，并发展了一门声学分支──分子声学，它通过宏观的声吸收以及声频散来研究分子以至原子等微观结构与各种频率声波的相互作用。当然，声吸收的研究范围还广泛得多。

本条主要讨论一般静止流体中的声吸收，对于固体等物态的吸收详见声与固体微观结构的关系以及量子声学等条。

发展简史

G.G.斯托克斯在1845年就导得由粘性引起的流体中声吸收公式。其吸收系数除了与粘滞系数成正比外，还与声波的频率二次方成正比。这里的粘滞系数仅指当时可由流体力学方法确定的切变粘滞系数。G.R.基尔霍夫1868年又提出了由热传导引起的声吸收，这一部分的吸收系数除了与媒质的热导率成正比外，还与声波的频率成二次方关系。后人把这两部分吸收加起来称之为经典吸收。以后，特别自20世纪20年代开始采用比较先进的压电效应技术来产生并接收声波起，迅速蓬勃地展开了可以在很大范围（包括在各种气体、液体乃至固体）内测量声吸收的研究。大量的测量发现，除了单原子气体（如氩气等）外，几乎所有的气体都与经典理论有偏离。1920年A.爱因斯坦提出了从声频散来确定缔合气体的反应率，从而促进了对气体分子热弛豫吸收理论的广泛研究。进入30年代后，这种弛豫吸收机制延伸到液体的研究。此后数十年来，流体中声吸收的实验和理论研究不仅扩展了频率（次声到特超声）范围，而且涉及广泛的媒质，包括各种化学和生物媒质以至含水雾的大气等。

固体中吸收的研究开展得稍迟一些，20世纪30年代末起才出现这方面的测量。从宏观看来，横波或剪切波只有在粘d性液体（如聚合物沥青等）中必须考虑，而在一般流体中因衰减很快，可忽略不计。但在固体中纵波和横波二类体波并存，并且涉及晶轴的取向等，吸收机制较为复杂。目前已成为声学和固体物理学工作者共同感兴趣的领域。

经典吸收

主要由粘滞及热传导二部分吸收组成。

当声波通过媒质时，媒质质点因相对运动而产生内摩擦，也即粘滞作用，导致声的吸收。对于流体，粘滞作用一般应由切变粘滞系数以及容变（也称体变，说明见后）粘滞系数二部分来描述。前者是由媒质的剪切形变而产生的，而后者宏观上是由体积变化引起的。在早期的斯托克斯吸收理论中，曾把这一容变粘滞作用略去，而认为声吸收仅与切变粘滞性有关。斯托克斯的这一片面的认识在当时是可以谅解的，瑞利也支持此观点，因为容变粘滞作用只有用声学方法本身才能使其表现出来。现已证明，大量测量中表现出来的超过经典吸收的部分正是容变粘滞系数的作用，这一系数与微观过程的弛豫性质有关，不是常数，而是声波频率的函数。

因为声波传播过程基本上是绝热的，当媒质中有声波通过时，媒质产生压缩和膨胀的交替变化，压缩区温度升高，膨胀区温度降低。这时相邻的压缩和膨胀区之间形成温度梯度，引起热传导。这个过程是不可逆的，因此产生声能的耗散，称为热传导吸收。

几乎所有气体，热传导吸收和仅与切变粘滞有关的粘滞吸收具有相同的数量级，但前者总比后者低些。对于液体，热传导吸收一般较小，常可忽略；但是液态金属则正好相反，热传导吸收要比粘滞吸收的作用更大。

弛豫吸收

弛豫吸收由媒质分子的微观内过程引起，主要有下面一些机制。

一般简称分子弛豫吸收。它是最早提出的一种弛豫吸收机制。一般发生于多原子分子的气体中。其实质是，由于分子的相互碰撞，使外自由度(指分子平动自由度)和内自由度（分子的振动和转动自由度）之间发生能量的重新分配。当媒质静止时，可用压强、温度、密度等物理参量描述这一平衡状态。此时分子的内外自由度能量也应具有一定的平衡分配。当声波通过时，媒质发生压缩和膨胀过程，媒质的物理参量及其相应的平衡状态也将随声波过程而发生简谐变化。而任何状态的变化都伴有内外自由度能量的重新分配，并向一个具有新的平衡能量分配状态过渡。然而建立一个新的平衡分配需要一段有限的时间。这样的过程称为弛豫过程，建立新的平衡状态所需要的时间称为弛豫时间。这种过程伴随着热力学熵的增加。由此导致有规的声能向无规的热转化，即声波的弛豫吸收。当声波的圆频率w同弛豫时间τ的乘积为1时（即wτ＝1），最利于内外自由度能量的交换，也即在此条件下，表现出每单位波长的声吸收(αλ)达到极大值，见图1。

当声波通过会产生可逆化学反应的媒质时，也会发生与上述热弛豫类似的化学反应平衡的破坏，并产生弛豫过程。这种过程同样也导致声的吸收。可以出现这种化学反应弛豫的媒质有：分子发生解离和缔合作用的气体，各种能起化学反应的混合物以及电解质溶液等。其实，研究弛豫过程对物质的声学性质的影响正是从化学弛豫开始的（如上述爱因斯坦的建议）。

当声波通过一般液体时，由于分子间互相作用力很强，热弛豫时间很短，其吸收主要由于其分子的体积发生变化，这种发生媒质微观结构的重建过程的弛豫称为结构弛豫。也有人把容变粘滞专指结构弛豫而言，而把所有超过经典吸收的吸收归之为由体变粘滞所引起。

对于一种媒质可以存在一个以上的弛豫过程。如电解质水溶液，可以同时既存在纯水的结构弛豫，也存在电解质的解离－缔合化学反应弛豫。如果这两种弛豫过程的弛豫时间相差很大，则实验上可以把它们明显分别出来。实验发现还有一些液体（如粘d性液体）具有一个极为宽广的弛豫时间谱，而这个弛豫时间谱实质上具有连续谱的特征。这种弛豫称为多重弛豫。对于某些生物媒质（如牛血红蛋白的水溶液等），实验也发现有连续弛豫时间谱的特性。现代用声吸收技术来研究这些物质的结构和特性的工作正方兴未艾。

实际媒质的声吸收

在大气中主要吸收机制是分子弛豫吸收，即与空气中所含氧气、氮气、水蒸气和二氧化碳这四种主要成分有密切关系。最近的理论工作业已证明，氧气与水蒸气的相互作用占大气吸收的主要成分；氮气含量虽多，但只在低频和高湿度情况下起重要作用，否则对吸收的贡献极小；二氧化碳虽只占大气的万分之三，但其作用，特别是在湿度较小的情况下绝不可忽略。因此考虑大气吸收时，相对湿度和温度都是重要的参量。图2是在相对湿度为50％，温度为20°C时空气吸声系数α(dB/km)与声波频率f(Hz)的关系。O代表氧气对吸收的贡献，同样，N、T、R则分别为氮气、平动自由度、转动自由度对声吸收的贡献。实线为总的吸收值。当大气中含有水雾时（与固体及非蒸发性液滴悬浮体不同），在频率很低时，能引起反常吸收，这与水雾的浓度和雾滴大小都有关系，在频率较高时，粘滞吸收和热传导吸收仍占较大比例，不过在实际大气中，由于其他种种吸收因素，这一点往往不易被觉察出来。

容变粘滞系数的存在已能在理论上解释纯水的吸收。海水中含硫酸镁及硼酸，就导致两项化学弛豫吸收。海水在低频时吸收很小(100Hz约为10-6dB/m)，但在较高的频率时，吸收显著增高。硼酸在海水中含量甚微（约为百万分之四），但最近的实验已观察到这种化合物的水溶液在约 1000Hz时显示出比纯水高300倍的弛豫吸收。至于含量也较低的硫酸镁导致的反常声吸收的测量以及理论探讨早在40年代末已开始。这两种吸收都与温度以及水的静压力有关。20°C和一个大气压下海水（盐度35×10-3）和纯水的声吸收见图3。

海水中含有气泡等悬浮体，除产生声散射外，也是造成海水吸收的重要原因。

电解质溶液的声吸收，其机制与声波导致的离解、离子水化等有关。对非电解质溶液，如氨化物、酒精等，其弛豫吸收可用水与溶质的氢键结构来解释；对旋转异构体，则视其结构而异，图4表示乙酸乙酯和乙酸甲酯C─O键之下左右有异，就说明两态有能量差，而弛豫频率与克服其间势垒即反应率有关。其他弛豫机制这里不一一列举。

声吸收测量方法

目前采用的声吸收方法主要有如下四种：

（1）度量发射声脉冲的幅度因吸收而引起的随距离的相对变化的脉冲法；

（2）度量衍射光的强度随声场距离的相对变化的光衍射法；

（3）度量驻波声场中极大值或极小值的幅值随距离相对变化的声干涉法；

（4）测量盛有待测媒质的容器中共振锐度变化的共振法。其中脉冲法应用较为普遍，精度较高，形式较多；而共振法主要应用于较低频段的测量。

参考书目

1. K. F.Herzfeld and T.A.Litovitz，Absorption and Dispersion of Ultrasonic Waves， Academic Press，New York，1959.
2. A.J.Matheson，Molecular Acoustics，Interscience， London， 1971.
3. 杜功焕等编著：《声学基础》，上海科学技术出版社，上海，1981。