声波的传播与特性

第３１卷　第５期　哈尔滨师范大学自然科学学报　Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．５　２０１５　ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥＳ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＡＲＢＩＮ　ＮＯＲＭＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　

声波与光波（电磁波）传播特性的对比　

冯立峰，王天垄　

（哈尔滨师范大学）　

【摘要】声波与电磁波的产生本质是不同的，但是它们在传播时所表现出来　

的特点与性质以及在数学上的表达形式却有很多相似的地方，从物理学的角度对　

它们的传播特性进行对比．　

【关键词】光波（电磁波）；声波；波动方程；传播特性；多普勒效应　

中图分类号：０４２６．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—５６１７（２０１５）０５—００５７—０４　

１　波动方程　

１．１声波的波动方程　

在声场中，应用牛顿定律可得到有关声场中　

声压Ｐ与质点运动速度　的关系方程，即有声波　

扰动时媒质的运动方程　

０　：一　ｐ　一　

根据质量守恒定律，媒质在单位时间内由外　

界流人体积元的质量与从体积元中流出的质量　

之差一　Ｓｄ　等于该体积元质量的增量　ｄ　ａ＿　Ｐ＿．Ｓｄ戈，即一　．ｓ　：ａ＿　Ｐ　＿Ｓｄ　，可得到关于媒质　ａ　ａ　ｄ　的质点运动速度　与密度Ｐ之间的关系，即有声　

波存在时媒质的连续性方程　

（　＝ａａｖ　一　【ｐ　）　ａ￡　（２）　

对声场中体积元应用热学中的物态方程来　

描述体积元内的压强、密度、温度之间的变化与　

联系，并且在低频的情况下，声波的传播过程可　

近似为绝热过程，经过推导可得到在各处均匀的　

理想流体媒质中小振幅一维声波的波动方程　

唾一　：０２　ｈ　３ｔｄｘ　ＣＯ　一　

收稿日期：２０１５—０５—２３　黑龙江省教育厅自然科学基金（１２５３１２１０）　（３）　将其推广至三维情况可得　

Ｖｐ一　＝０　（４）　ＧＯ　ｏ　

其中ｃ；＝（　）　，近似为常数．　ＱＤ　’　１．２　电磁波的波动方程　

在均匀绝缘介质中或没有电荷的自由空间　

（ＪＤ＝０，Ｊ＝０）中，根据麦克斯韦方程组可得到　

电磁场的运动形式　

声波的传播和特性

声波是由物体振动产生的一种机械波，其传播和特性与物体的振动特性密切相关。本文将探讨声波的传播方式、传播速度以及声波的特性。

一、声波的传播方式

声波的传播方式可以分为气体、液体和固体三种不同的介质。在气体中，声波是通过气体分子的振动传播的，分子的振动会导致空气分子的相互碰撞，从而将声波传递给周围的空气分子。液体中的声波传播方式与气体类似，也是通过分子的振动传递。而在固体中，声波则是通过固体中的物质颗粒之间的弹性变形传播的，物质颗粒的振动会引起周围颗粒的振动。

二、声波的传播速度

声波在不同介质中的传播速度是有所差异的。在同质介质中，声波的传播速度与介质的性质有关，与介质的密度和弹性模量相关。一般来说，介质的密度越大、弹性模量越大，声波的传播速度也就越大。例如，同为气体的氮气和氧气，在相同条件下，由于氧气的分子质量更小，因此氧气中的声波传播速度要大于氮气。

三、声波的特性

1. 频率和周期：声波具有频率和周期的特性，频率指的是声波在单位时间内振动的次数，常用赫兹（Hz）表示；周期是指声波一个完整的振动所需要的时间。 2. 波长：声波的波长表示了声波一个完整周期的长度，通常用米（m）表示，与声波的频率和传播速度有关。波长与频率成反比关系，即频率越高，波长越短。

3. 声压级：声波的声压级是用来描述声音强度的物理量，用分贝（dB）表示。分贝的单位是相对单位，一般以人类耳朵可以感知的最小声音为参考，可以用来比较不同声音的强度。

4. 声色和音调：声波的声音特性可以通过声色和音调来描述。声色是指声波的频谱特性，不同的声色代表了不同频率分量的占比。音调则是指人类对声音高低的主观感受，与声波的频率密切相关。

总结起来，声波的传播和特性是由物体的振动引起的。声波在不同介质中的传播方式和传播速度不同，而声波的特性则涉及到声波的频率、波长、声压级以及声色和音调。研究声波的传播和特性不仅有助于我们对声音的认识，也对声学等领域的研究具有重要意义。

声波的特性与传播

声波是一种机械波，是由物体振动产生的，通过介质传播的波动现象。声波在我们的日常生活中无处不在，对于声波的特性和传播规律的了解，有助于我们更好地理解和应用声波。

一、声波的特性

1. 频率：声波的频率是指在单位时间内振动的次数，单位为赫兹（Hz）。频率越高，声音越尖锐，越低则声音越低沉。

2. 振幅：声波的振幅是指声波的最大偏离距离，也就是声音的大小。振幅越大，声音越大。

3. 声速：声波在介质中的传播速度，它与介质的密度和压力相关。在空气中，声速大约为340米/秒，但在其他介质中会有所不同。

4. 波长：声波的波长是指相邻两个相同相位的振动点之间的距离。波长与频率和声速的乘积成正比，可以用公式λ=v/f表示。

5. 传播方向：声波是沿着与波源相连的介质中的同一方向传播的，称为纵波。声波的传播方向是由波源的振动方向决定的。

二、声波的传播

1. 声波的传播介质：声波可以在固体、液体、气体等介质中传播。不同介质对声波的传播有不同的速度和传播特性。

2. 声波的传播方式：声波传播方式分为直接传播和媒质传播两种。 - 直接传播：声波直接通过介质传播，如声音在空气中的传播。

- 媒质传播：声波通过介质中的振动分子传播，如声音在固体中的传播。

3. 声波的反射和折射：声波在传播过程中会遇到障碍物或不同介质的边界，导致声波发生反射和折射现象。反射是指声波遇到边界后被反弹回来，折射是指声波由于传播介质的改变而改变传播方向。

三、声波的应用

1. 声音传播：声波的主要应用之一是声音的传播。我们平常听到的语言、音乐、声效等都是通过声波传播到我们的耳朵中来的。

2. 通讯技术：声波在通讯技术中有广泛的应用，如声纳技术、超声波技术等。声纳技术利用声波在水中传播的原理，用于海洋探测、水下通信等领域。

3. 医学影像：超声波在医学领域中被广泛应用于诊断和治疗，如超声波检查、超声刀等。超声波通过体内组织的反射和折射，实现对人体内部器官的成像和监测。

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页岩层压力与声波传播特性关系研究

作者：钮瑞艳 杨秀娟 周翔 刘铭刚

来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2016年第01期

摘 要：页岩气是储存在页岩中以游离和吸附态存在的天然气，储量大，经济价值高。地球物理测井是页岩气勘探开发的重要技术手段，利用测井资料预测和评价页岩气层是一种高效、经济的方法。本文利用声学及有限元的知识，采取二次吸收的人工边界条件，利用ANSYS软件建立起了声波在页岩层中传播的有限元模型。通过改变压力的值，得到纵波振幅随压力增加而增加，并利用Origin软件拟合出压力与纵波振幅的关系表达式。通过软件模拟得到的压力声波传导特性的关系对实际测井有重要指导意义。

关键词：有限元；页岩层；压力；声波；传播

世界页岩气资源量巨大，但储存页岩气的条件恶劣，地质构造复杂，要实现页岩气的勘探开发，测井技术显得尤为重要。但现场测井过程中，诸多因素造成的影响会导致声波信号信噪比低测井资料难解释，因而造成盲井、空井的开采，导致人力物力的浪费。本文基于有限元的方法数值模拟声波在地层中的传播，得出岩层压力与声波传导特性的关系，反演计算页岩层的弹性参数（杨氏模量、体积弹性模量、泊松比等），进行估计油气储层评价及产能评价，并给出页岩气开采的最佳完井方案。

1 声波有限元方法的理论研究

1.1 页岩层力学参数的影响

声波在页岩中传播时，由于换能器发射声波能量较小，作用在页岩上的时间短，因此在声波测井的过程中可以将页岩视为弹性体，但由于实际页岩层中存在薄层及二重和三重应力构造的微结构、天然裂缝分布的不确定性，页岩层呈不同程度的各向异性，因此在建模时要充分考虑地层模型的各向异性。饱和度对页岩的力学特性也有一定的影响。当S0.6，页岩试样的弹性模量与剪切模量基本保持不变，泊松比迅速上升。由换能器发射的声波分为P波与S波，两者的传播规律均与页岩层的E、μ等力学参数及密度、压力等物理参数有关，与振源频率无关。