介质对声波的吸收和吸声材料及吸声结构1 副本 副本
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吸声材料的吸声原理吸声材料是被广泛应用于各种场合的一类具有吸声功能的材料。
吸声材料的吸声原理主要涉及声能的传播和吸收,下面我将详细介绍吸声材料的吸声原理。
声音是一种机械波,传播时会通过声源的振动导致介质中的分子振动,进而将振动能传递给周围的分子。
当声波碰到物体表面时,一部分声波能量被反射,一部分被透射,而另一部分则被物体吸收。
对于吸声材料而言,其吸声原理主要通过强烈的声能损耗和衰减来实现。
吸声材料的主要吸声原理之一是摩擦损耗。
当声波传播到吸声材料表面时,材料内部的孔隙和纤维等结构会产生空气流动的摩擦,从而把声能转化为热能。
这种摩擦损耗的吸声效应可以通过增加材料表面的粗糙度和面积来增加,比如通过在材料表面加工不规则的凸起或凹陷等结构。
吸声材料的另一个吸声原理是散射效应。
材料内部的多孔结构和异质性会导致声波的传播路径发生扭曲和转向,从而使声波的传播方向散射。
这种散射效应可以有效地将声波的能量从主传播方向扩散到各个方向上,从而减少声波的反射和透射,增加声能的损耗。
除了摩擦损耗和散射效应,吸声材料的吸声原理中还包括共振效应和吸附效应。
共振效应指的是当声波的频率接近或等于材料结构的固有频率时,材料会发生共振现象,产生较大的振幅和能量损耗。
吸声材料的共振效应可以通过调节材料的厚度和孔隙率来实现,以使其共振频率范围覆盖需要吸音的声波频率范围。
吸附效应是指声波在传播过程中与材料表面的分子发生相互作用,导致部分声能被材料吸收。
这种吸附效应与材料的化学性质和表面形态有关,一般来说,具有较高的表面粗糙度和亲水性的材料更容易产生吸附效应,从而提高声能的吸收效率。
总之,吸声材料的吸声原理主要包括摩擦损耗、散射效应、共振效应和吸附效应。
这些原理相互作用,共同发挥作用,实现对声波能量的有效吸收和损耗,从而达到减少噪声、改善声音环境的效果。
吸声材料在建筑、汽车、航空航天等领域具有广泛的应用前景,能够为人们创造更加安静和舒适的生活环境。
声学中的声音的吸收和反射在声学中,声音的吸收和反射是两个重要的概念。
声音是一种能量的传播形式,当遇到不同的材料或物体时,会发生吸收或反射的现象。
本文将讨论声学中的声音的吸收和反射,并探讨其在实际生活中的应用。
一、声音的吸收声音的吸收是指声波遇到物体或材料时,一部分能量被转化为其他形式的能量,如热能或机械能。
吸收程度取决于物体或材料的吸声特性。
吸声特性与材料的密度、厚度、表面形态以及声波的频率有关。
1.1 影响吸声特性的因素- 材料的密度:一般来说,密度较大的材料更容易吸收声音。
例如,海绵具有较高的吸声特性,因为其多孔的结构可以让声音通过孔隙进入材料内部,并通过碰撞和摩擦转化为热能。
- 材料的厚度:通常情况下,材料的厚度越大,吸声效果越好。
这是因为较厚的材料可以提供更长的路径供声波传播,从而增加能量转化的机会。
- 表面形态:具有多孔结构或粗糙表面的材料能够更有效地吸收声音。
多孔结构可以增加声波与材料之间的接触面积,而粗糙表面可以分散声波,减少反射。
- 频率的影响:不同频率的声音在材料中的吸收能力也不同。
一般来说,低频声音更容易被吸收,而高频声音更容易被反射。
1.2 吸声材料的应用吸声材料在许多领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的例子:- 建筑领域:吸声材料可以用于隔音墙、天花板、地板等,以减少建筑物内部的噪音污染。
例如,在音乐录音室中,使用吸声板可以减少噪音的反射,确保音质的清晰度。
- 汽车工业:吸声材料可以用于汽车内部,减少引擎噪音和路面噪音对车内的干扰。
许多车辆都采用了隔音玻璃、吸音毡等材料来提高乘坐舒适度。
- 工业设备:吸声材料可以用于减少机器设备的噪音,保护工作人员的听力健康。
例如,在发电厂或工厂中使用吸声罩来降低机器的噪音水平。
二、声音的反射声音的反射是指声波遇到物体或材料时,一部分能量以相同或不同的角度从物体表面反射回去。
反射程度取决于物体或材料的反射特性。
反射特性主要与物体或材料的表面形态和声波的入射角度有关。
第7章 介质对声波的吸收和吸声材料及吸声结构声音在介质中传播时会有衰减现象,传播过程中由于波阵面的扩张,引起能量空间扩散,以致声波振幅随距离增加而衰减,称这种衰减为几何衰减,又如由于介质中粒子的散射作用,使得沿原来传播方向的声波能量减少,致使声波振幅随传播距离的增加也有明显衰减。
这里无论是几何衰减还是散射引起的衰减,对传播的声能都没有消耗作用。
显然,这是由于所研究的声波传播规律是建立在理想介质运动规律基础上的缘故。
理想介质只作完全的弹性形变,形变过程为绝热,介质内没有阻尼作用,所以声波在传播过程中没有使声能变为其他能量形式的消耗作用。
实际上,声音即使是在均匀的自由介质中传播,由于介质本身对声能的吸收作用,也产生声波沿传播方向衰减的现象。
如平面波传播时,也表现出振幅衰减的现象。
此外,声波在含有散射体的介质中传播时,由于散射体相对介质的运动及散射体的形变,也使部分声能变为热能形式而损耗,结果表现出更为明显的衰减现象。
这些衰减是由于声能转换为其他形式能量引起的,统称为物理衰减。
本章主要讨论均匀介质对声波能量吸收的现象和产生吸收的原因。
此外,还介绍一些有关吸声材料和吸声结构的知识,因为吸声技术在声学和水声学的技术应用方面以及声学测量方面具有越来越明显的重要性。
7.1 介质的声吸收7.1.1 描述介质声吸收的方法声吸收是指声波在媒质中传播或在界面反射过程中,能量减少的现象。
造成声吸收的原因主要是媒质的粘滞性、热传导性和分子弛豫过程,使有规的声运动能量不可逆的转变为无规的热运动能量。
谐和平面声波在介质中传播,12,x x 是沿传播方向的两点,12(),()x x ξξ分别是声波在12,x x 处的幅值;则1212()1ln()()x x x x ξαξ=-称作介质的声吸收系数(单位:奈培/米)。
介质的声吸收系数反映了介质对声波的吸收程度,是平面声波在介质中传播单位距离,幅度相对变化的自然对数值。
有时也用…波长声吸收系数‟表示介质的声吸收程度,公式如式(7-1)所示。
声音的吸收与衍射声波在不同介质中的传播特性声音是一种机械波,可以在不同的介质中传播。
声波在传播过程中会受到介质的吸收与衍射的影响,这些特性对于声音的传播和感知具有重要影响。
一、声波的吸收特性声波在传播过程中会与介质的分子或介质内部的微粒发生相互作用,从而产生能量损失,这种现象称为声波的吸收。
声波的吸收主要受到以下几个因素的影响:1. 声源频率:不同频率的声波在介质中的吸收程度不同。
通常情况下,高频声波比低频声波更容易被介质吸收。
这是因为高频声波具有更高的能量,能够更容易地激发介质内部的分子或微粒的振动。
2. 介质性质:不同物质对声波的吸收具有不同的能力。
一般来说,固体对声波的吸收较小,液体次之,气体最大。
这是因为固体分子之间的结合较强,液体次之,气体分子之间的结合较弱,容易被声波能量所激发。
3. 温度:介质的温度对声波的吸收也有影响。
通常情况下,温度越高,分子的振动越剧烈,从而导致声波能量更容易被吸收。
二、声波的衍射特性衍射是指声波在传播过程中遇到障碍物时发生偏折的现象。
声波的衍射特性受到以下因素的影响:1. 障碍物的大小和形状:障碍物的大小和形状决定了声波衍射的程度。
当障碍物的尺寸远大于声波的波长时,声波衍射的效果显著。
而当障碍物的尺寸接近或小于声波的波长时,声波的衍射效果较弱。
2. 声波的波长:声波的波长越长,其衍射效果越明显。
短波声波(高频)衍射效果相对较弱。
3. 介质的性质:不同介质对声波的衍射特性也有所差异。
固体和液体介质对声波的衍射一般较小,而气体介质对声波的衍射较大。
三、不同介质中声音传播的特点声音在不同介质中的传播速度也有所差异。
一般情况下,固体中的声音传播速度最快,液体次之,气体最慢。
这是因为固体分子之间的结合较强,声波能量在固体中能够迅速传递;液体分子之间的结合较弱,因此声波传播速度较慢;气体分子之间的结合最弱,导致声音在气体中传播速度较慢。
此外,不同介质对声音的衰减程度也有所差异。
建筑吸声材料与吸声结构引言:在现代建筑中,随着城市化的发展和人口的增加,噪音污染已经成为困扰人们生活的一大问题。
无论是住宅、办公室还是公共场所,都需要采取措施来降低噪音对人们的影响。
建筑吸声材料和吸声结构是一种被广泛应用的方法,可以有效减少噪音对室内的传播,提供更加舒适和安静的环境。
一、建筑吸声材料的分类1.打孔板:打孔板是一种由金属、木材或塑料等制成的材料,表面有均匀分布的孔洞,通过孔洞来吸收和分散噪音的能量。
打孔板通常具有较高的反射率,可以有效降低声波的反射和传播。
同时,打孔板的材料可以根据需要选择,比如金属打孔板具有较强的耐久性和耐火性能,适合用于室外环境。
2.纤维吸声材料:纤维吸声材料通常由岩棉、玻璃棉等材料制成,具有较好的吸声和隔声特性。
它们可以通过增加表面积来提高吸声效果,比如采用薄纤维纤维板或纤维毡,使得声波在纤维间反复散射和吸收。
此外,纤维吸声材料还可以用于构建隔音墙体,从而将噪音隔离在不同区域。
二、建筑吸声结构的设计与应用1.吸声天花板:吸声天花板是建筑中常见的一种吸声结构。
它可以通过在天花板上覆盖吸声材料,如吸声板或纤维吸声材料,来降低室内噪音的反射和传播。
此外,吸声天花板还可以选择具有不同形状和表面纹理的材料,以达到更好的吸音效果。
2.吸声墙壁:吸声墙壁是另一种常见的吸声结构。
它可以采用纤维吸声材料或打孔板等材料进行覆盖,从而减少室内噪音的反射和传播。
吸声墙壁可以用于隔音室、电影院等需要严格控制噪音的场所。
3.吸声地板:吸声地板是通常被忽视的一种吸声结构。
它可以通过选择有弹性的材料,如橡胶地板或软质木地板,来减少脚步声和其他噪音的传播。
吸声地板还可以通过在地板下铺设隔音层,如隔音绒或泡沫塑料,来降低噪音的穿透。
4.隔音窗户:隔音窗户是一种专门设计的窗户结构,旨在减少室外噪音的传播。
它可以采用双层或三层玻璃窗,并在中间填充空气或隔音膜,以提高窗户的隔声效果。
此外,隔音窗户还可以采用特殊的框架和密封材料,以防止噪音通过窗框和缝隙进入室内。
离心玻璃棉离心玻璃棉内部纤维蓬松交错,存在大量微小的孔隙,是典型的多孔性吸声材料,具有良好的吸声特性。
离心玻璃棉可以制成墙板、天花板、空间吸声体等,可以大量吸收房间内的声能,降低混响时间,减少室内噪声。
离心玻璃棉的吸声特性不但与厚度和容重有关,也与罩面材料、结构构造等因素有关。
在建筑应用中还需同时兼顾造价、美观、防火、防潮、粉尘、耐老化等多方面问题。
离心玻璃棉属于多孔吸声材料,具有良好的吸声性能。
离心玻璃棉能够吸声的原因不是由于表面粗糙,而是因为具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。
当声波入射到离心玻璃棉上时,声波能顺着孔隙进入材料内部,引起空隙中空气分子的振动。
由于空气的粘滞阻力和空气分子与孔隙壁的摩擦,声能转化为热能而损耗。
离心玻璃棉对声音中高频有较好的吸声性能。
影响离心玻璃棉吸声性能的主要因素是厚度、密度和空气流阻等。
密度是每立方米材料的重量。
空气流阻是单位厚度时材料两侧空气气压和空气流速之比。
空气流阻是影响离心玻璃棉吸声性能最重要的因素。
流阻太小,说明材料稀疏,空气振动容易穿过,吸声性能下降;流阻太大,说明材料密实,空气振动难于传入,吸声性能亦下降。
对于离心玻璃棉来讲,吸声性能存在最佳流阻。
在实际工程中,测定空气流阻比较困难,但可以通过厚度和容重粗略估计和控制。
1、随着厚度增加,中低频吸声系数显著地增加,但高频变化不大(高频吸收总是较大的)。
2、厚度不变,容重增加,中低频吸声系数亦增加;但当容重增加到一定程度时,材料变得密实,流阻大于最佳流阻,吸声系数反而下降。
对于厚度超过5cm的容重为16Kg/m3的离心玻璃棉,低频125Hz约为0.2,中高频(>500Hz)的吸声系数已经接近于1了。
当厚度由5cm继续增大时,低频的吸声系数逐渐提高,当厚度大于1m以上时,低频125Hz的吸声系数也将接近于1。
当厚度不变,容重增大时,离心玻璃棉的低频吸声系数也将不断提高,当容重接近110kg/m3时吸声性能达到最大值,50mm厚、频率125Hz处接近0.6-0.7。
吸声消音原理以及材料吸声是指通过一定的材料和结构改变声波的传播路径和能量分布,从而降低或消除声波的反射、回声和共鸣,达到控制室内声学环境的目的。
吸声能够有效减少噪音、提升音质,提高房间的音频效果。
吸声原理如下:1.阻尼:声波通过吸声材料时,材料中的纤维、孔隙和微粒能够使声波产生摩擦,在声波振动过程中吸收能量并转化为热能,从而减少声波的反射。
2.散射:吸声材料的表面凹凸不平、不规则的结构会使声波的传播方向发生变化,从而使声波的能量散射到其他方向,减少声波的反射。
3.吸收:吸声材料中的孔隙和多孔结构具有密度较高的特点,这些孔隙和多孔结构能够更大程度地吸收声波,使声波能量转化为热能,从而降低声波的反射。
吸声材料主要有以下几种:1.泡沫塑料:泡沫塑料材料是一种经济实用的吸声材料,它具有较好的柔软性和弹性,能够有效吸收高频和中频的声波,但对低频的吸收效果较差。
2.矿棉:矿棉是一种常见的吸声材料,具有较好的吸声效果,能够广泛应用于墙壁、天花板和隔音板等位置。
矿棉具有良好的吸声性能和隔音性能,但易受潮湿影响,导致生长霉菌。
3.聚酯纤维:聚酯纤维是一种常见的吸声材料,具有较好的吸声效果和耐火性能。
聚酯纤维可用于制作吸声板、吸声板和隔音棉等产品,能够有效吸收声波的能量。
4.石墨烯:石墨烯是一种新型的吸声材料,具有较高的吸声效果和超强的吸声能力。
石墨烯能够吸收多个频段的声波,并且对低频、中频和高频的吸声效果均优异。
5.多孔玻璃纤维:多孔玻璃纤维是一种具有良好吸声性能的吸声材料,它具有开放式多孔结构,能够吸收多个频段的声波能量,对声波的吸收效果较为均匀。
除了以上几种材料外,还有其他一些吸声材料如石膏板、吸声毡、隔音毡等,这些材料在吸声技术中都有广泛的应用。
总结起来,吸声是指通过一定的材料和结构对声波进行控制,达到降噪和优化声学环境的目的。
吸声材料主要通过阻尼、散射和吸收作用来减少声波的反射。
常见的吸声材料包括泡沫塑料、矿棉、聚酯纤维、石墨烯和多孔玻璃纤维等。
吸声材料的结构及其发展吸声材料是一种能够有效吸收声音能量的材料,可以降低噪声和增加声音品质。
其结构和发展主要通过以下几个方面:材料类型、材料结构、制备工艺和应用领域。
一、材料类型1.多孔质材料:如海绵、泡沫塑料、玻璃纤维等。
多孔质材料的孔隙结构能够吸收声波的机械振动能量,达到吸音的效果。
2.纤维状材料:如吸音棉、矿棉、吸音毯等。
纤维状材料可以通过纤维之间的摩擦和碰撞来吸收声波,具有较好的吸音性能。
3.弹性材料:如橡胶、聚氨酯等。
弹性材料能够将声波能量转化为热能,实现吸音的效果。
二、材料结构1.孔隙结构:多孔质材料的孔隙结构对声波的吸收具有很大影响。
合理设计孔隙结构能够增加材料的吸声能力。
2.纤维结构:纤维状材料的纤维密度、纤维直径和纤维之间的距离等参数会影响其吸声性能。
较高的纤维密度有利于吸收高频声波。
三、制备工艺1.物理制备法:如发泡、熔融、纺丝等。
物理法制备的材料通常具有较好的吸声性能和耐高温性能。
2.化学制备法:如溶胶凝胶法、湿法沉淀法等。
化学法制备的材料具有较好的均一性和可调控性。
3.复合制备法:将不同材料进行复合可以综合利用各材料的优点,提高吸声效能。
四、应用领域吸声材料广泛应用于建筑、交通工具、电器、音频设备等领域:1.建筑领域:用于提高室内环境的声学性能,降低室内噪音。
2.交通工具领域:用于减少车辆行驶过程中噪音的传导和反射,提高乘坐舒适度。
3.电器领域:用于降低电器设备运行时的噪音水平,提高用户体验。
4.音频设备领域:用于优化音响设备的声音品质,减少音频回声和镶嵌。
随着科学技术的不断发展,吸声材料的结构设计和制备工艺不断创新和优化,使得吸声材料的吸音效果得到了极大的提升。
同时,随着环境噪声和声学需求的不断增加,吸声材料正在积极探索更广泛的应用领域,以满足社会的需求。
第7章 介质对声波的吸收和吸声材料及吸声结构声音在介质中传播时会有衰减现象,传播过程中由于波阵面的扩张,引起能量空间扩散,以致声波振幅随距离增加而衰减,称这种衰减为几何衰减,又如由于介质中粒子的散射作用,使得沿原来传播方向的声波能量减少,致使声波振幅随传播距离的增加也有明显衰减。
这里无论是几何衰减还是散射引起的衰减,对传播的声能都没有消耗作用。
显然,这是由于所研究的声波传播规律是建立在理想介质运动规律基础上的缘故。
理想介质只作完全的弹性形变,形变过程为绝热,介质内没有阻尼作用,所以声波在传播过程中没有使声能变为其他能量形式的消耗作用。
实际上,声音即使是在均匀的自由介质中传播,由于介质本身对声能的吸收作用,也产生声波沿传播方向衰减的现象。
如平面波传播时,也表现出振幅衰减的现象。
此外,声波在含有散射体的介质中传播时,由于散射体相对介质的运动及散射体的形变,也使部分声能变为热能形式而损耗,结果表现出更为明显的衰减现象。
这些衰减是由于声能转换为其他形式能量引起的,统称为物理衰减。
本章主要讨论均匀介质对声波能量吸收的现象和产生吸收的原因。
此外,还介绍一些有关吸声材料和吸声结构的知识,因为吸声技术在声学和水声学的技术应用方面以及声学测量方面具有越来越明显的重要性。
7.1 介质的声吸收7.1.1 描述介质声吸收的方法声吸收是指声波在媒质中传播或在界面反射过程中,能量减少的现象。
造成声吸收的原因主要是媒质的粘滞性、热传导性和分子弛豫过程,使有规的声运动能量不可逆的转变为无规的热运动能量。
谐和平面声波在介质中传播,12,x x 是沿传播方向的两点,12(),()x x ξξ分别是声波在12,x x 处的幅值;则1212()1ln()()x x x x ξαξ=-称作介质的声吸收系数(单位:奈培/米)。
介质的声吸收系数反映了介质对声波的吸收程度,是平面声波在介质中传播单位距离,幅度相对变化的自然对数值。
有时也用‘波长声吸收系数’表示介质的声吸收程度,公式如式(7-1)所示。
/))()(ln(11波长)(单位:奈培λξξλα+=x x (7-1)而在水声学中,则用式(7-2)定义介质的声吸收系数。
1212()110lg() ()I x x x I x α'=- (单位:dB/m ) (7-2) 此时,波长声吸收系数表示为:11()10lg()()I x I x λαλ'=+ (单位:dB/λ) (7-3) 如果,在声吸收系数为α的介质中有谐和平面声波传播,且x=0处声压幅值是0p ,则介质中声场可表示为:*()()00(())()00(,) x j t kx j t kx j xj t k j x j t k x p x t p e e p e p e p e αωωαωαω---+---==== (7-4)其中,*()k k j α=-称为声波在介质中的复波数。
可见,介质中的复波数*k j c ωα=-可表示介质的声吸收。
复波数*k 的实部为介质中声波的波数,虚部为介质的声吸收系数。
又因为k c ω=,因此,复波数**k k j c ωα=-=,由此可知,介质的复声速可表示为:**c k k j ωωα==- (7-5)当k α时,式(7-5)可化为*2(1)()(1)()()1()c j k j k c c j k j k j kk αωααααα++==≈+-++ (7-6) 式(7-6)称为介质的复波速。
可见,介质中的复波速*(1)c c j k α=+也可表示介质的声吸收。
7.1.2 介质声吸收的机理均匀介质对声波的吸收作用,通常分为三类。
即粘滞性吸收、热传导吸收以及内分子过程吸收。
前两种吸收的机理,早在上个世纪由Stokes 和Kirchhoff 作了理论阐明和计算。
这些工作对声吸收的机理研究起了重要作用,由此理论计算的吸收通常称为古典吸收。
随着测量技术的提高以及声学应用和理论工作的发展,提出了介质声吸收的内分子能量传输的弛豫过程理论,把介质对声波吸收理论推进到了一个新阶段。
它不仅使古典吸收和实际测量结果的不一致得到理论上的修正,同时发展了声学研究物质结构的新理论和新方法,特别是用于有机溶液和多相物质的分子结构的研究。
从而使声学研究开拓了一个新的领域——分子声学。
7.1.2.1 介质的粘滞性吸收声波在传播过程中引起介质形变,介质中形变引起内应力变化,此应力与应变成正比。
实际流体介质具有粘滞性,由介质粘滞性所产生的应力表现为介质内“摩擦力”作用。
因此当声波在实际介质中传播时,由于粘滞性作用使部分声能转变为热能而消耗,从而表现出声波强度随距离衰减的现象。
这种衰减在声学中称为介质的粘滞性吸收,它是均匀介质中声衰减的主要原因之一。
对于平面声波的传播问题,单位面积上的粘滞力可表示成与速度梯度成正比的关系,如式(7-7)所示。
u T xη∂=∂ (7-7) 式中的比例系数η称为粘滞系数。
通常它由两部分组成,一部分是切变粘滞系数η',另一部分是容变粘滞系数η''。
且粘滞系数表示为34ηηη'''=+。
因此对于粘滞流体介质在运动方程中还需计及粘滞应力的部分,它等于 u p T xη∂'=-=-∂ (7-8) 则粘滞流体介质中的波动方程可化为2230222s K t x x t ξξξρη∂∂∂=+∂∂∂∂ (7-9) 对于简谐声波,其函数形式为1(,)()j t x t x eωξξ=,则式(7-9)可化为 222110122()s K j K x xξξρωξωη∂∂-=+=∂∂ (7-10) 因此有2*112k x ξξ∂-=∂,其中*k =称为复波数,可表示为 *k j c ηωα=- (7-11)为计算粘滞介质中声波的传播速度以及介质的吸收系数,令()(1)(1)s s s s K K j K j K j H K ηωηωω=+=+=+ (7-12)由复波数*k 和式(7-12)可得 222022220221121s s c K H H c K H ηηωρωαωωρωωαω⎫-=⎪+⎪⎬⎪=⎪+⎭ (7-13)当粘滞力与弹性力相比为很小时,即1H K ωηω=时,解(7-13)式可得c == (7-14)2233004()223c c ηωηωαηηρρ'''==+ (7-15) 其中s β为流体的压缩系数。
由式(7-15)可知,介质的粘滞声吸收系数与频率的平方成正比,与声速的三次方成反比。
7.1.2.2 介质的热传导声吸收系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。
理论计算表明,介质的热传导声吸收系数为23011()2h v pc C C ωαχρ=- (7-16) 其中:χ为介质的热传导系数,v C 为介质的等容比热,p C 为介质的等压比热。
由式(7-16)可知,介质的热传导声吸收系数也与频率的平方成正比,与声速的三次方成反比。
7.1.2.3 古典声吸收理论在考虑了介质的粘滞和热传导效应后,总的声吸收系数可用下式表示230411()()23v p c C C ωαηηχρ⎡⎤'''=++-⎢⎥⎢⎥⎣⎦(7-17) 这就是斯托克斯-克希霍夫公式,即古典声吸收理论的介质声吸收系数。
古典声吸收(包括粘滞吸收和热传导吸收)的理论计算和实验测量的结果对比,只对某些单原子的惰性气体,如氩、氦、氮等吻合较好,对于多原子气体,相差很大,而对于液体,结果更不佳。
对于绝大多数的液体,其吸收系数的测量值都比理论计算值高,只有一些单原子的液化气体,如液态氩、氧、氮、氢等,以及水银等的数值吻合较好。
由古典声吸收理论计算一般介质的声吸收系数结果可知,声吸收系数与频率的平方成正比,粘滞性声吸收系数大于热传导声吸收系数,并且粘滞性吸收系数与热传导声吸收系数是同一数量级的。
以常见介质:空气,海水,淡水的声吸收系数为例,分析古典声吸收理论计算值与实际测量值的差别,结果如下:图7.1 空气、海水以及淡水吸收系数曲线7.1.2.4 分子弛豫引起的声吸收 由图7.1可知,实验测量实际介质的声吸收结果与古典声吸收计算值有较大差别,主要表现在:实际介质的声吸收值大于古典声吸收计算值;在某些频段上实际介质的声吸收值不与频率的平方成比例。
为了描述这个差别,定义了“超吸收”的概念。
所谓“超吸收”是指实际介质的声吸收超出古典声吸收理论计算值的那部分声吸收。
由于古典声吸收理论所考虑的声吸收是介质“质团”运动引起的,而实际介质是由分子构成,即,大量的分子构成“质团”,正是古典声吸收理论对介质模型的简化,没有考虑到介质微观结构-分子的“运动”,因而不会预计还会有另一类吸声机制——弛豫声吸收。
“超吸收”是介质的弛豫声吸收引起的,表明古典声吸收理论的介质模型不完善。
介质在每一个状态下,分子的各个“能态”的分子数目是一定的,达到统计平衡态,声波作用下改变了介质状态,各个“能态”的分子数目随之变化,向新的统计平衡态转移。
完成两个平衡态之间转移的时间为弛豫时间;记i τ。
这里“能态”是一个宽泛的概念,它有许多表现形式:如,分子的动能,分子的化学能,分子的结构能等等。
弛豫时间i τ对介质宏观物理量的影响表现为:一定质量的介质中压强p 与体积V 的变化之间存时间差,声波过程在P-V 图上表现为包围一块“面积”的闭曲线。
该面积就是一个周期内介质吸收的声波能量。
弛豫声吸收是声波作用下介质分子的弛豫过程引起的声吸收。
能引起介质声吸收的“弛豫过程”的种类有分子热弛豫、分子结构弛豫和化学弛豫。
分子热弛豫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。