热声学的基本理论和非线性,Ⅰ热声学

行波型热声发动机的数值模拟实验李晓明;梅宏昆;高鹏;孔晓莉【摘要】首次采用有限元法(FEM),对行波型热声发动机实验系统进行了数值模拟,以线性热声理论作为计算模型,且与实验系统具有相同的几何结构和运行工况,同时采用有限元方法中的加权余量法对计算模型进行求解,通过自主编写的MATLAB计算程序,对热声系统进行一系列的迭代计算,计算结果成功观测到了行波型热声发动机系统内复杂的声场分布特性和流场特性.计算结果与实验结果的对比验证了有限元方法对行波型热声发动机模拟的有效性.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】6页(P57-62)【关键词】行波;热声发动机;有限元【作者】李晓明;梅宏昆;高鹏;孔晓莉【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院鞍山 114051;河北大唐国际唐山热电有限责任公司河北063000;辽宁科技大学材料与冶金学院鞍山 114051【正文语种】中文【中图分类】TB651热声学在理论和技术不断发展，应用这些理论和技术所指导的实验也取得了很多有意义的成果。

可是由于热声系统内在机理的复杂性，目前的热声理论仅仅适用于小振幅的热声震荡[1]，并且对于热声自激振荡[2]的工作机理很难解释清楚，给热声热机的数值模拟带来很多困难。

近些年来，随着计算机技术的高速发展以及有限元方法[3]自身的优越性使得其在科学和工程领域的应用较为广泛。

因此，本文首次采用有限元方法对行波型热声发动机系统进行数值模拟，计算采用MATLAB仿真软件自行编写程序[4]，通过计算，得到了发动机内部的声场分布。

计算结果与实验结果的对比验证了有限元法对热声发动机模拟的有效性。

2.1 物理模型本文模拟计算的物理模型为行波热声发动机系统，如图1所示，其主要结构参数和物性参数见表1和表2。

如图1所示，系统依次布置为同轴心管, 反馈管、喷射泵、主水冷器、板叠、加热器、热缓冲管、次水冷器和谐振管。

高等传热学知识重点1.什么是粒子的平均自由程，Knusen数的表达式和物理意义。

Knusen数的表达式和物理意义：（Λ即为λ，L为特征长度）2.固体中的微观热载流子的种类，以及对金属/绝缘体材料中热流的贡献。

3.分子、声子和电子分别满足怎样的统计分布律，分别写出其分布函数的表达式分子的统计分布：Maxwell-Boltzmann（麦克斯韦-玻尔兹曼）分布：电子的统计分布：Fermi-Dirac（费米-狄拉克）分布：声子的统计分布：Bose-Eisentein（波色-爱因斯坦）分布；高温下，FD,BE均化为MB；4.什么是光学声子和声学声子，其波矢或频谱分布各有特性？答：声子：晶格振动能量的量子化描述，是准粒子，有能量，无质量；光学声子：与光子相互振动，发生散射，故称光学声子；声学声子：类似机械波传动，故称声学声子；5.影响声子和电子导热的散射效应有哪些？答：影响声子（和电子）导热的散射效应有（热阻形成的主要原因）：①界面散射：由于不同材料的声子色散关系不一样，即使是完全结合的界面也是有热阻的；②缺陷散射：除了晶格缺陷，最典型的是不纯物掺杂颗粒的散热，散射位相函数一般为Rayleigh散射、Mie散射，这与光子非常相似；③声子自身散射：声子本质上是晶格振动波，因此在传播过程中会与原子相互作用，会产生散射、吸收和变频作用。

6.简述声子态密度（Density of State）及其物理意义,德拜模型和爱因斯坦模型的区别。

答：声子态密度（DOS）[phonon.s/m3.rad]：声子在单位频率间隔内的状态数（振动模式数）Debye（德拜）模型：Einstein（爱因斯坦）模型：7.分子动力学理论中，L-J势能函数的表达式及其意义。

答：Lennard-Jones 势能函数（兰纳-琼斯势能函数）,只适用于惰性气体、简单分子晶体，是一种合理的近似公式；式中第一项可认为是对应于两体在近距离时以互相排斥为主的作用，第二项对应两体在远距离以互相吸引（例如通过范德瓦耳斯力）为主的作用，而此六次方项也的确可以使用以电子-原子核的电偶极矩摄动展开得到。

X热声理论的研究及其发展金　滔　陈国邦　应哲强(浙江大学制冷与低温研究所,杭州,310027)【摘要】回顾了热声研究的历史以及所取得的成就。

介绍了各主要热声研究及开发单位的研究现状和动态,指出了存在的一些问题和现阶段研究的热点。

关键词:热声学　脉管制冷机　热声驱动器　热声制冷机1　前言热声现象早在200多年前就已经被发现,然而热声学研究的繁荣却只是最近50年的事。

N .Rott 首次对热声现象进行的定量分析是现代热声学研究中一大里程碑式的成就,大大激起了人们从事热声研究的兴趣。

尤其在最近20年,热声现象在制冷领域的应用成了一大热点,这是由于热声制冷机和热声机驱动的脉管制冷机具有结构简单、振动部件少和运行寿命长等优点[1];此外,它们使用的无公害工质(如惰性气体等)也是同制冷技术中禁用CFCs 和HCFCs 的趋势相一致的。

本文试图通过介绍国内外主要的热声研究和开发机构的各具特色的工作,以了解热声研究的最新动态和发展概况。

2　热声效应及热声研究历史2.1　热声效应简单地说,热声效应就是热与声之间相互转换的现象。

从声学角度来说,它是由于处于声场中的固体介质(有时称之为第二介质)与振荡的流体之间相互作用,使得距固体壁面一定范围内沿着(或逆着)声传播方向产生一个时均热流,并在这个区域内产生或者吸收声功的现象。

按能量转换方向的不同,热声效应可以分为两类:一是用热来产生声,即热驱动的声振荡;二是用声来产生热,即声驱动的热量传输。

只要具备一定的条件,热声效应在行波声场、驻波声场以及两者结合的声场中都能发生。

如人们初悉热声效应时发现的Rijke 管和Sondhauss 管就可分别视为是行波声场和驻波声场。

2.2发展历史人们对热声现象的认识已有200多年的历史了。

早在1777年,Byr on Higgins 就在实验中发现,将氢火焰放在两端开口的垂直管的适当位置,管中会激发声音。

吹玻璃工人则发现当一个玻璃球连接到一根中空玻璃管上时,管子的尖端有时会发出声音。

声学基础知识声学是物理学分支学科之一，是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的科学。

媒质包括物质各态(固体、液体和气体等)，可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质。

以下是由店铺整理关于声学知识的内容，希望大家喜欢!声学的领域介绍与光学相似，在不同的情况，依据其特点，运用不同的声学方法。

波动也称物理声学，是用波动理论研究声场的方法。

在声波波长与空间或物体的尺度数量级相近时，必须用波动声学分析。

主要是研究反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。

在关闭空间(例如室内，周围有表面)或半关闭空间(例如在水下或大气中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振动(称为简正振动方式或简正波)。

简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而形成的(注意到声波波长较大和速度小等特性)。

射线或称几何声学，它与几何光学相似。

主要是研究波长非常小(与空间或物体尺度比较)时，能量沿直线的传播，即忽略衍射现象，只考虑声线的反射、折射等问题。

这是在许多情况下都很有效的方法。

例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念。

统计主要研究波长非常小(与空间或物体比较)，在某一频率范围内简正振动方式很多，频率分布很密时，忽略相位关系，只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。

赛宾公式就可用统计声学方法推导。

统计声学方法不限于在关闭或半关闭空间中使用。

在声波传输中，统计能量技术解决很多问题，就是一例。

分支可以归纳为如下几个方面：从频率上看，最早被人认识的自然是人耳能听到的“可听声”，即频率在20Hz～20000Hz的声波，它们涉及语言、音乐、房间音质、噪声等，分别对应于语言声学、音乐声学、房间声学以及噪声控制;另外还涉及人的听觉和生物发声，对应有生理声学、心理声学和生物声学;还有人耳听不到的声音，一是频率高于可听声上限的，即频率超过20000Hz的声音，有“超声学”，频率超过500MHz的超声称为“特超声”，当它的波长约为10-8m量级时，已可与分子的大小相比拟，因而对应的“特超声学”也称为“微波声学”或“分子声学”。

波长声波振动一次所传播的距离，用声波的速度除以声波的频率就可以计算出该频率声波的波长，声波的波长范围为17米至1．7厘米，在室内声学中，波长的计算对于声场的分析有着十分重要的意义，要充分重视波长的作用。

例如只有障碍物在尺寸大于一个声波波长的情况下，声波才会正常反射，否则绕射、散射等现象加重，声影区域变小，声学特性截然不同；再比如大于2倍波长的声场称为远场，小于2倍波长的声场称为近场，远场和近场的声场分布和声音传播规律存在很大的差异;此外在较小尺寸的房间内(与波长相比)，低音无法良好再现，这是因为低音的波长较长的缘故，故在一般家庭中，如果听音室容积不足够大，低音效果很难达到理想状态。

很多现场调音师都没有理会到音频与波长的关系，其实这是很重要的：音频及波长与声音的速度是有直接的关系。

在海拔空气压力下，21摄氏温度时，声音速度为344m／s，而我接触国内的调音师，他们常用的声音速度是34Om／s，这个是在15摄氏度的温度时声音的速度，但大家最主要记得就是声音的速度会随着空气温度及空气压力而改变的，温度越低，空气里的分子密度就会增高，所以声音的速度就会下降，而如果在高海拔的地方做现场音响，因为空气压力减少，空气内的分子变得稀少，声音速度就会增加。

音频及波长与声音的关系是：波长=声音速度／频率；λ=v／f，如果假定音速是344 m／s时，100Hz的音频的波长就是3．44 m，1000hz(即lkHz)的波长就是34．4 cm，而一个20kHz的音频波长为1．7cm。

动态范围音响设备的最大声压级与可辨最小声压级之差。

设备的最大声压级受信号失真、过热或损坏等因素限制，故为系统所能发出的最大不失真声音。

声压级的下限取决于环境噪声、热噪声、电噪声等背景条件，故为可以听到的最小声音。

动态范围越大，强声音信号就越不会发生过荷失真，就可以保证强声音有足够的震撼力，表现雷电交加等大幅度强烈变化的声音效果时能益发逼真，与此同时，弱信号声音也不会被各种噪声淹没，使纤弱的细节表现得淋漓尽致。

声学简介声学是研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科. 媒质包括各种状态的物质，可以是弹性媒质也可以是非弹性媒质；机械波是指质点运动变化的传播现象.声学发展简史声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中历史最悠久，并且当前仍处在前沿地位的物理学分支学科.从上古起直到19世纪，人们都是把声音理解为可听声的同义语. 中国先秦时就说“情发于声，声成文谓之音”，“音和乃成乐”.声、音、乐三者不同，但都指可以听到的现象. 同时又说“凡响曰声”，声引起的感觉(声觉)是响，但也称为声，这与现代对声的定义相同.西方国家也是如此，英文的词源来源于希腊文，意思就是“听觉”.世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面. 《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音. 三分损益法就是把管(笛、箫)加长三分之一或减短三分之一，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律. 传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦做基础.1957年在中国河南信阳出土了蟠螭文编钟，它是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的. 其音阶完全符合自然律，音色清纯，可以用来演奏现代音乐. 1584年，明朝朱载堉提出了平均律，与当代乐器制造中使用的乐律完全相同，但比西方早提出300年.古代除了对声传播方式的认识外，对声本质的认识也与今天的完全相同. 在东西方，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. 这种认识现在看起来很简单，但是从古代人们的知识水平来看，却很了不起.例如，很长时期内，古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的认识，一直到牛顿的时代，人们对光的认识还有粒子说和波动说的争执，且粒子说占有优势. 至于热学，“热质”说的影响时间则更长，直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判.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. 从那时起直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献，而声的传播问题则更早就受到了注意，几乎2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比.1635年有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时声速为332米/秒，与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳的情况下，的确是了不起的成绩.牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质等等，经过复杂而难懂的推导，求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根. 欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果. 但是据此算出的声速只有288米/秒，与实验值相差很大.达朗贝尔于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波. 直到1816年，拉普拉斯指出只有在空气温度不变时，牛顿对声波传导的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程. 因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容的比)与密度之比，据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了.直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳. 人耳能听到的最低声强大约是10-12W/m2，在 1000 Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10-11m)，只有空气分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收确实惊人. 19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，但至今还未能形成完整的听觉理论. 目前对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究.音调与频率的关系明确后，对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究. 发现著名的电路定律的欧姆于1843年提出，人耳可把复杂的声音分解为谐波分量，并按分音大小判断音品的理论. 在欧姆声学理论的启发下，人们开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学)，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》.在封闭空间(如房间、教室、礼堂、剧院等)里面听语言、音乐，效果有的很好，有的很不好，这引起今天所谓建筑声学或室内音质的研究. 但直到1900年赛宾得到他的混响公式，才使建筑声学成为真正的科学.19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果的最后总结者是瑞利，他在 1877 年出版的两卷《声学原理》中集经典声学的大成，开创了现代声学的先河. 至今，特别是在理论分析工作中，还常引用这两卷巨著. 他开始讨论的电话理论，目前已发展为电声学.20世纪，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生接收和利用任何频率、任何波形、几乎任何强度的声波，已使声学研究的范围远非昔日可比. 现代声学中最初发展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量. 以后，随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学.在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促使水声学得到很大的发展. 20世纪初以来，特别是20世纪50年代以来，全世界由于工业、交通等事业的巨大发展出现了噪声环境污染问题，而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展高速大功率机械应用日益广泛. 非线性声学受到普遍重视. 此外还有音乐声学、生物声学. 这样，逐渐形成了完整的现代声学体系.现代声学的内容现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性. 所以声学既有经典性质，也有量子性质.声学的中心是基础物理声学，它是声学各分支的基础. 声可以说是在物质媒质中的机械辐射，机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播. 人类的活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所.声学的边缘科学性质十分明显，边缘科学是科学的生长点，因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向.声波在气体和液体中只有纵波. 在固体中除了纵波以外，还可能有横波(质点振动的方向与声波传播的方向垂直)，有时还有纵横波.声波场中质点每秒振动的周数称为频率，单位为赫(Hz). 现代声学研究的频率范围为万分之一赫兹到十亿赫兹，在空气中可听到声音的声波长为17毫米到17米，在固体中，声波波长的范围更大，比电磁波的波长范围至少大一千倍. 声学频率的范围大致为：可听声的频率为20～20000赫，小于20赫为次声，大于20000赫为超声.声波的传播与媒质的弹性模量，密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关. 测量声波传播的特性可以研究媒质的力学性质和几何性质，声学之所以发展成拥有众多分支并且与许多科学、技术和文化艺术有密切关系的学科，原因就在于此.声行波强度用单位面积内传播的功率(以瓦/米2为单位)表示，但是在声学测量中功率不易直接测量得，所以常用易于测量的声压表示. 在声学中常见的声强范围或声压范围非常大，所以一般用对数表示. 称为声强级或声压级，单位是分贝(dB).声学的研究方法与光学研究方法的比较声学分析方法已成为物理学三个重要分析方法(声学方法、光学方法、粒子轰击方法)之一. 声学方法与光学方法(包括电磁波方法)相比有相似处，也有不同处.相似处是：声波和光波都是波动，使用两种方法时，都运用了波动过程所应服从的一般规律，包括量子概念(声的量子称为声子).不同处是：光波是横波，声波在气体中和液体中是纵波，而在固体中有纵波，有横波，还有纵横波、表面波等，情况更为复杂；声波比光波的传播速度小得多；一般物体和材料对光波吸收很大，但对声波却很小，声波在不同媒质的界面上几乎是完全反射.这些传播性质有时造成结果上的极大差别，例如在普通实验室内很容易验证光波的平方反比定律(光的强度与到光源的距离平方成反比). 根据能量守恒定律，声波也应满足平方反比定律，但在室内则无法测出. 因为室内各表面对声波来说都是很好的反射面，声速又比较小，声音发出后要反射很多次，在室内往返多次，经过很长时间(称为混响时间)才消失.任何点的声强都是这些直达声和反射声互相干涉的结果，与距离的关系很复杂. 这就是为什么直到1900年赛宾提出混响理论以前，人们对很多声学现象不能理解的原因.声学的分支学科与光学相似，在不同的情况，依据其特点，需要运用不同的声学方法进行研究.波动声学也称物理声学，它是使用波动理论研究声场的学科. 在声波波长与空间或物体的尺度数量级相近时必须用波动声学分析. 其主要内容是研究声的反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象.在封闭空间(例如室内，周围有表面)或半关闭空间(例如在水下或大气中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振动(称为简正振动方式或简正波). 简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而形成的.射线声学或称几何声学，它与几何光学相似. 主要是研究波长非常小时，能量沿直线的传播的规律. 即忽略衍射现象，只考虑声线的反射、折射等问题. 这是在许多情况下都很有效的方法. 例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念.统计声学主要研究波长非常小，在某一频率范围内简正振动方式很多，频率分布很密时，忽略相位关系，只考虑各简正方式的能量相加关系的问题. 赛宾公式就可用统计声学方法推导. 统计声学方法不限于在关闭或半关闭空间中使用. 在声波传输中，统计能量技术解决很多问题，就是一例.声学仪器20世纪以前，声源仅限于人声、乐器、音义和哨子. 频率限于可听声范围内，可控制的声强范围也有限. 接收仪器主要是人耳，有时用歌弧、歌焰做定性比较，电话上的接收器和传声器还很简陋，难于用作测试仪器.20世纪以后，人们把电路理论应用于换能器的设计，把晶体的压电性用于声信号和电信号之间的转换，以后又发展了压电陶瓷、驻极体等，并用电子线路放大和控制电信号，使声的产生和接收几乎不受频率和强度的限制.近年用半导体薄膜产生超声，用激光轰击金属激发声波等，使声频超过了可听声高限的几亿倍. 次声频率可达每小时一周以下，声强可超过人耳所能接收高强声音的几千万倍. 声功率也可超过人发声的一千亿倍. 声学测量分析仪器也达到了高度准确的程度，以计算机为中心的测试设备可完成多种测试要求，60年代需要几天才能完成的测试分析工作，用现代设备可能只要几秒钟就可以完成，这些手段给声学各分支的发展创造了很好的条件.利用对声速和声衰减，测量研究物质特性已应用于很广的范围. 目前测出在空气中，实际的吸收系数比19世纪斯托克斯和基尔霍夫根据粘性和热传导推出的经典理论值大得多，在液体中甚至大几千倍、几万倍. 这个事实导致了人们对弛豫过程的研究，这在对液体以及它们结构的研究中起了很大作用. 对于固体同样工作已形成从低频到起声频固体内耗的研究，并对诸如固体结构和晶体缺陷等方面的研究都有很大贡献.表面波、声全息、声成像、非线性声学、热脉冲、声发射、超声显微镜、次声等以物质特性研究为基础的研究领域都有很大发展.声全息和声成像是无损检测方法的重要发展. 将声信号变成电信号，而电信号可经过电子计算机的存储和处理，用声全息或声成像给出的较多的信息充分反应枝检对象的情况，这就大大优于一般的超声检测方法. 用热脉冲产生的超声频率可达到1012Hz以上，为凝聚态物理开辟了新的研究领域.声波在固体和液体中的非线性特性可通过媒质中声速的微小变化来研究，应用声波的非线性特性可以实现和研究声与声的相互作用，它还用于高分辨率的参量声呐中.声波可以透过所有物体：不论透明或不透明的，导电或非导电的. 因此，从大气、地球内部、海洋等宏大物体直到人体组织、晶体点阵等微小部分都是声学的实验室. 近年来在地震观测中，测定了固体地球的简正振动，找出了地球内部运动的准确模型，月球上放置的地声接收器对月球内部监测的结果，也同样令人满意. 进一步监测地球内部的运动，最终必将实现对地震的准确预报从而避免大量伤亡和经济损失.声学与生命科学听觉过程涉及生理声学和心理声学. 目前能定量地表示声音在人耳产生的主观量(音调和响度)，并求得与物理量(频率和强度)的函数关系，这是心理物理研究的重大成果. 还建立了测听技术和耳鼓声阻抗测量技术，这是研究中耳和内耳病变的有效工具.在听觉研究中，所用的设备很简单，但所得结果却惊人的丰富. 1961年物理学家贝剀西曾由于在听觉方面的研究获得诺贝尔医学或生理学奖，这是物理学家在边缘学科中的工作受到了承认的例子. 目前主要由于对神经系统和大脑的确切活动和作用机理不明，还未形成完整的听觉理论，但这方面已引起了很多声学工作者的重视.在语言和听觉范围内，基础研究导致很多重要医疗设备的生产：整个装到耳听道内的助听器；保护听力的耳塞，为声带损伤病人用的人工喉，语言合成器，为全聋病人用的触觉感知器和人工耳蜗等等.除了助听、助语设备外，声学在医学中还有很多可以应用的方面，但发展都很不够或根本未发展，特别是在治疗方面. 有迹象说明低强度超声可加速伤口愈合，同时施用超声和 X射线可使对癌症的辐射治疗更加有效，超声辐射可治愈脑血栓等，但这些都未形成常规的治疗手段.超声检查体内器官，并加以显示的方法有广泛的应用，声波可透过人体并对体内任何阻抗的变化灵敏(折射、反射)，因此超声透视颅内、心脏或腹内的某些功效远比 X射线优越，而且不存在辐射病，但使用时也有局限. 超声全息用于体内无损检测的技术则尚待发展.声学与环境当代重大环境问题之一是噪声污染，社会上对环境污染的意见(包括控告)有一半是噪声问题. 除了长期在较强的噪声(90dB以上)中工作要造成耳聋外，不太强的噪声对人也会形成干扰. 例如噪声级到70dB，对面谈话就有困难，50dB环境下睡眠休息已受到严重影响. 近年来，对声源发声机理的研究受到注意，也取得了不少成绩.噪声控制中常遇到的声源功率范围非常大，这也增加了噪声控制工作的复杂性. 例如一个大型火箭发动机的噪声功率可开动一架大型客机，而大型客机的噪声功率可开动一辆卡车. 噪声污染是工业化的后果，而降低噪声又是改善环境、提高人的工作效率、延长机器寿命的重要措施.环境科学不但要克服环境污染，还要进一步研究造成适于人们生活和活动的环境. 使在厅堂中听到的讲话清晰、音乐优美是建筑声学的任务. 厅堂音质的主要问题是室内的混响，混响必须合适，有时还需要混响可变. 实验证明，由声源到听者的直达声及其后50毫秒或100毫秒内到达的反射声对音质都有重要影响，反射声的方向分布也是很重要的因素，两侧传来的反射声似乎很重要，全面研究各种因素才能获得良好的音质.音乐是声学研究最早注意的课题，今日则已开始进入新的境界. 电子乐器和计算机音乐的问世，为作曲家和演奏艺术家开辟了新的创作天地. 电子音乐合成器产生的乐音既可以模拟现有任何乐器的声音，也可以创造出从来未有过的新乐音.除了次声外，声学对国防还有许多重要用途. 海洋中除声以外的各种信号都很难传到几米之外，因此利用回声探测水下物体，如潜艇、海底、鱼群、沉船等是最有力的手段.现代声学的特点和发展趋势声学是近年来发展最快的学科之一．现代声学的特点和发展趋势是：（ 1 ）频率范围广：可听声的频率范围是 20 Hz到 20000 Hz．可是现代声学研究的声的频率范围还在不断向高端和低端扩展． 2 × 10 4 Hz 到 5 × 10 8 Hz的声称为超声， 5 × 108Hz～1012Hz的声为特超声． 1012Hz～ 1014Hz则是分子热运动的范围， 20 Hz以下称为次声．人们接收的次声低到 10-4Hz．目前整个声学研究的频率范围跨越 1016，是物理学各分支里少有的．随着频率的升高，声学进入微观世界，不断发现新的现象和新的应用．声学既有经典的性质，又有量子的性质，成为打开微观世界的一把钥匙．低频的声波，随着频率的降低，吸收衰减越来越小，穿透能力和传播距离大大增加，成为观察大气、海洋、地壳中许多现象的强有力的工具．（ 2 ）传播介质广，穿透能力强：人们最初只注意到空气中的声波．但后来水声、超声等的研究，把介质扩大到各种气体、液体、固体、等离子体等．凡有物质的地方，声波都可以传播．许多光波、电磁波不能穿透的物质，声波都可以穿透．例如在海洋和地壳中，能远距离传播的就只有声波．所以现在人们把声学技术列入探索物质结构的三大技术（声学技术、电磁技术、粒子作用）之一是有道理的．声波穿透物质可以带来物质内部结构的信息，或改变物质的状况．目前的发展趋势是介质种类不断增加，观察的深度、广度和取得的信息不断增加．（ 3 ）与其他学科互相渗透，应用面广：声波在大气中传播的研究形成“大气声学”，与大气物理、气象学有密切的关系，利用次声和声雷达可以观测大气中的现象．声波在海洋中传播的研究形成“水声学”，声波成为水下观察的最有效的工具，与海洋开发、水下战争等有密切关系．声波在人体中传播的研究形成“医学超声学”，目前超声诊断对许多疾病有极好的效果．此外，声 - 光，光 - 声，声 - 电，电 - 声等相互作用和转化都不断在人们面前展开广阔的前景．声学与计算机数据处理的关系也是极其密切的．语言声学最早使用计算机处理数据．利用计算机处理数据的超声诊断设备可以提供丰富的人体中的信息．声学与其他学科相互渗透，不断形成新的分支学科，是近年来的发展趋势．声学在国防、国民经济和人民生活的各领域中有十分广泛的应用．近代声学不断深入到人的思维和大脑活动，很有可能，声学是人类最先突破人脑活动禁区的学科．。

rayleigh准则热声学原理Rayleigh准则是热声学领域中的一个重要原理，它描述了声波的散射现象。

在热声学中，声波与粒子的热运动相互作用，导致声波的散射。

Rayleigh准则给出了声波散射的条件和散射角度的关系。

我们来了解一下Rayleigh准则的基本概念。

Rayleigh准则是由英国物理学家Lord Rayleigh在19世纪末提出的，它描述了小尺寸粒子对声波的散射。

在这个准则中，声波的波长与粒子的尺寸相比非常大，可以忽略声波的折射和透射等现象。

根据Rayleigh准则，当声波与粒子相互作用时，会引起声波的散射现象。

在声波散射中，声波以粒子为中心，向周围发散。

Rayleigh 准则给出了声波散射的条件和散射角度的关系。

根据Rayleigh准则，声波的散射角度与粒子的大小有关。

当粒子的尺寸远小于声波的波长时，即粒子的直径小于声波的波长的十分之一时，声波的散射角度可以近似地表示为散射波的波长与粒子尺寸之比的倒数。

Rayleigh准则还给出了声波散射的强度与粒子的大小和声波的频率之间的关系。

当粒子的尺寸远小于声波的波长时，声波的散射强度与粒子的直径的四次方成正比，与声波的频率的平方成反比。

Rayleigh准则在热声学中具有重要的应用价值。

通过对声波散射的研究，可以了解到材料的微观结构和物理性质。

例如，在材料的表面散射实验中，根据Rayleigh准则可以确定表面的粗糙度和颗粒的尺寸。

Rayleigh准则还可以应用于声学成像、声学测量和声学信号处理等领域。

通过对声波散射的研究，可以实现对目标物体的成像和检测。

在医学超声成像中，利用声波散射原理可以获取人体内部器官的图像。

Rayleigh准则是热声学中的一个重要原理，描述了声波与粒子相互作用导致的散射现象。

它给出了声波散射的条件和散射角度的关系，对于研究材料的微观结构和物理性质，以及应用于声学成像和声学测量等领域具有重要意义。

通过深入理解和应用Rayleigh准则，可以推动热声学领域的发展，并为相关应用提供理论基础。

第八章声学前沿8.1 概述声学差不多是近代科学中最早发展的分支，伽利略1638年发表的《两个新科学的讲话》中仔细讨论了物体的振动，对音调与频率的关系、振动的弦长与音调的关系，以及和声与频率比的关系等都有生动的讨论。

半个世纪后，牛顿提出恒温声速的理论。

17到19三世纪中的重要数学家和物理学家几乎都研究过声学问题，把经典物理声学发展到成熟的阶段，最后由瑞利以1000页的两卷《声学理论》做了总结，这部书直到100年后的今年仍在售卖。

从20世纪初开始，声学主要以外延的形式发展，与其它科学技术分支结合，建立了大量的边缘学科，声学学科图给出了一个大概的概念。

这个图是1972年著名声学家林赛画的，当时计算技术、环境科学、空间科学等还没有像现在这样发达，这个图肯定是不完全的。

但即使如此，声学的外延也是很可观。

当然，物理声学还是继续发展。

到本世纪下半叶，物理声学又大大发展了，这是因为在各分支学科中，不少问题如不对其中声波和振动基本特性和作用确切了解，就不能对该问题真正理解和进一步深入。

所以在20世纪中，声学经过了发散和收敛过程，一些分支学科或其一部分已发展为工程技术，直接为生产服务，不少部分则向基础深入发展。

现在主要讨论这些部分。

1. 物理声学。

振动和声波的基本特性和效应是声学各个分支共同的基础，包括线性声学、非线性声学、振动理论。

许多应用都涉及声波的辐射压力、声流和空化作用。

声源的辐射和障碍物的散射是突出的问题。

声学的研究继续发展。

物理声学占声学研究论文的五分之一强。

2. 声学信号处理。

信号处理在电子学中是成熟的技术，用在声学中非常重要，几乎声学各个分支中都有信号处理问题。

最多的问题是空—时信号的处理方法，如水声信号、超声信号、语言信号、有源控制信号、环境声学信号、地声信号等，都须要处理，以了解或应用其有关物理过程。

此外信号显示、图样识别、学习机、自适应处理、声学反问题、声学层析术、声全息处理等都非常重要。

3. 声学海洋学（海洋声学）。