[科普中國]-聲吸收

當(dāng)聲波通過媒質(zhì)或射到媒質(zhì)表面上時聲能減少的過程。這主要是由于媒質(zhì)的黏滯性、熱傳導(dǎo)性和分子弛豫過程，使有規(guī)的聲運(yùn)動能量不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊o規(guī)地?zé)徇\(yùn)動能量。1

簡介引起介質(zhì)對聲吸收的原因很多。靜止和均勻流體介質(zhì)中主要原因有介質(zhì)的黏滯性、熱傳導(dǎo)以及介質(zhì)的微觀動力學(xué)過程中引起的弛豫效應(yīng)等。非純介質(zhì)（如大氣中含有灰塵粒子、液態(tài)霧滴等）中，在聲波作用下這些懸浮體對介質(zhì)作相對運(yùn)動而產(chǎn)生的摩擦損耗，以及在水霧中弛豫效應(yīng)等也是引起聲吸收的原因。2
由于聲吸收的客觀存在，在研究聲學(xué)現(xiàn)象時不能不引起普遍關(guān)注。例如對大型廳堂中頻率在1000赫以上的聲音，空氣的聲吸收常會成為決定室內(nèi)混響時間的重要因素。海水中含有一定的化學(xué)物質(zhì)，頻散吸收要顯著高于純水。地震、火山爆發(fā)以及核爆炸時發(fā)出的聲音，含有遠(yuǎn)低于20赫的次聲成分，可持續(xù)繞地球轉(zhuǎn)幾個圈?？梢娐暡ǖ奈占葲Q定于介質(zhì)的一些特性，也與聲波的頻率有關(guān)。從聲吸收規(guī)律來探索（物質(zhì)）介質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，已發(fā)展成聲學(xué)分支——分子聲學(xué)，它通過宏觀的聲吸收以及聲頻散來研究分子以至原子等微觀結(jié)構(gòu)與各種頻率聲波的相互作用。當(dāng)然，聲吸收的研究范圍還要廣泛得多。23

發(fā)展簡史G.斯托克斯在1845年就導(dǎo)得由黏性引起的流體中聲吸收公式。其吸收系數(shù)除了與黏滯系數(shù)成正比外，還與聲波的頻率二次方成正比。這里的黏滯系數(shù)僅指當(dāng)時可由流體力學(xué)方法確定的切變黏滯系數(shù)。G.基爾霍夫1868年又提出了由熱傳導(dǎo)引起的聲吸收，這一部分的吸收系數(shù)除了與介質(zhì)的熱導(dǎo)率成正比外，還與聲波的頻率成二次方關(guān)系。后人把這兩部分吸收加起來稱之為經(jīng)典吸收。以后，特別自20世紀(jì)20年代開始采用比較先進(jìn)的壓電效應(yīng)技術(shù)來產(chǎn)生并接收聲波起，迅速蓬勃地展開了可以在很大范圍（包括在各種氣體、液體乃至固體）內(nèi)測量聲吸收的研究。大量的測量發(fā)現(xiàn)，除了單原子氣體（如氬氣等）外，幾乎所有的氣體都與經(jīng)典理論有偏離。1920年愛因斯坦提出了從聲頻散來確定締合氣體的反應(yīng)率，從而促進(jìn)了對氣體分子熱弛豫吸收理論的廣泛研究。進(jìn)入30年代后，這種弛豫吸收機(jī)制延伸到液體的研究。此后數(shù)十年來，流體中聲吸收的實驗和理論研究不僅擴(kuò)展了頻率（次聲到特超聲）范圍，而且涉及廣泛的介質(zhì)，包括各種化學(xué)和生物介質(zhì)以至含水霧的大氣等。3

固體中吸收的研究開展得稍遲一些，20世紀(jì)30年代末起才出現(xiàn)這方面的測量。從宏觀看來，橫波或剪切波只有在黏彈性液體（如聚合物瀝青等）中必須考慮，而在一般流體中因衰減很快，可忽略不計。但在固體中縱波和橫波二類體波并存，并且涉及晶軸的取向等，吸收機(jī)制較為復(fù)雜。目前已成為聲學(xué)和固體物理學(xué)研究的領(lǐng)域。3

經(jīng)典吸收主要由黏滯和熱傳導(dǎo)兩部分吸收組成。2

黏滯吸收聲波通過介質(zhì)時介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)因相對運(yùn)動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦，即黏滯作用，導(dǎo)致聲的吸收。對于流體，黏滯作用由切變黏滯系數(shù)以及容變黏滯系數(shù)二部分來描述。前者是由介質(zhì)的剪切形變產(chǎn)生的，后者宏觀上是由體積變化引起的 。已經(jīng)證明，大量測試中表現(xiàn)出來的超過經(jīng)典吸收的部分是容變黏滯系數(shù)的作用，這一系數(shù)與微觀過程的弛豫性質(zhì)有關(guān)，不是常數(shù)，而是聲波頻率的函數(shù)。2

熱傳導(dǎo)吸收聲波傳播過程基本上是絕熱的，介質(zhì)中有聲波通過時，產(chǎn)生壓縮和膨脹的交替變化，壓縮區(qū)溫度升高，膨脹區(qū)溫度降低。這時相鄰的壓縮和膨脹區(qū)之間形成溫度梯度，引起熱傳導(dǎo)。這個過程是不可逆的，因此產(chǎn)生聲能的耗散，稱為熱傳導(dǎo)吸收。幾乎所有氣體，熱傳導(dǎo)吸收和僅與切變粘滯有關(guān)的粘滯吸收具有相同的數(shù)量級，但前者總比后者低些。液體熱傳導(dǎo)吸收一般較小，常可忽略；但液態(tài)金屬如水銀則正好相反，熱傳導(dǎo)吸收要比黏滯吸收的作用更大。23

弛豫吸收弛豫吸收由介質(zhì)分子的微觀內(nèi)過程引起，主要有下列機(jī)制。2

分子弛豫吸收分子熱弛豫吸收簡稱分子弛豫吸收。一般發(fā)生于多原子分子的氣體中。實質(zhì)是分子的相互碰撞，使外自由度（指分子平動自由度）和內(nèi)自由度（分子的振動和轉(zhuǎn)動自由度）之間發(fā)生能量的重新分配。介質(zhì)靜止時可用壓強(qiáng) 、溫度、密度等物理參量描述這一平衡狀態(tài)。聲波通過時介質(zhì)發(fā)生壓縮和膨脹過程，介質(zhì)的物理參量及其相應(yīng)的平衡狀態(tài)也將隨聲波過程而發(fā)生簡諧變化。而任何狀態(tài)的變化都伴有內(nèi)外自由度能量的重新分配，并向一個具有新的平衡能量分配狀態(tài)過渡。但建立一個新的平衡分配需要一段有限的時間。這樣的過程稱為弛豫過程，建立新的平衡狀態(tài)所需要的時間稱為弛豫時間。這種過程伴隨著熱力學(xué)熵的增加。由此導(dǎo)致有規(guī)的聲能向無規(guī)的熱轉(zhuǎn)化 ，即聲波的弛豫吸收。2

化學(xué)弛豫聲波通過會產(chǎn)生可逆化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)時，也會發(fā)生與上述熱弛豫類似的化學(xué)反應(yīng)平衡的破壞，并產(chǎn)生弛豫過程。這種過程同樣也導(dǎo)致聲的吸收?？沙霈F(xiàn)這種化學(xué)反應(yīng)弛豫的介質(zhì)有分子發(fā)生解離和締合作用的氣體、各種能起化學(xué)反應(yīng)的混合物以及電解質(zhì)溶液等。研究弛豫過程對物質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)的影響正是從化學(xué)弛豫開始的。23

結(jié)構(gòu)弛豫聲波通過一般液體時，由于分子間互相作用很強(qiáng)，熱弛豫時間很短，聲吸收主要由于液體分子的體積發(fā)生變化產(chǎn)生，這種發(fā)生介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重建過程的弛豫稱為結(jié)構(gòu)弛豫。純水具有結(jié)構(gòu)弛豫，它對吸收貢獻(xiàn)較大。2

多重弛豫一種介質(zhì)可存在一個以上的弛豫過程。如電解質(zhì)水溶液，可同時既存在純水的結(jié)構(gòu)弛豫，也存在電解質(zhì)的解離－締合化學(xué)反應(yīng)弛豫。如果這兩種弛豫過程的弛豫時間相差很大，則實驗上可把它們明顯分別出來。實驗發(fā)現(xiàn) ，還有一些液體（如黏彈性液體）具有一個極為寬廣的弛豫時間譜，而這個弛豫時間譜實質(zhì)上具有連續(xù)譜的特征 ，這種弛豫稱為多重弛豫。對于某些生物介質(zhì)（如牛血紅蛋白的水溶液等），實驗也發(fā)現(xiàn)有連續(xù)弛豫時間譜的特性?，F(xiàn)代用聲吸收技術(shù)來研究這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和特性。23

實際介質(zhì)聲吸收典型的有下述三種情況。

大氣吸收大氣中主要吸收機(jī)制是分子弛豫吸收，即與空氣中所含氧氣、氮?dú)?、水蒸氣和二氧化碳的主要成分有關(guān)。理論證明，氧氣與水蒸氣的相互作用占大氣吸收的主要成分；氮?dú)夂侩m多，但只在低頻和高濕度情況下起重要作用；二氧化碳雖只占大氣的萬分之三，但其作用，特別是在濕度較小的情況下絕不可忽略。因此考慮大氣吸收時 ，相對濕度和溫度都是重要的參量。當(dāng)大氣中含有水霧時（與固體及非蒸發(fā)性液滴懸浮體不同），在頻率很低時 ，能引起反常吸收，這與水霧的濃度和霧滴大小都有關(guān)系，在頻率較高時，黏滯吸收和熱傳導(dǎo)吸收仍占較大比例 ，不過在實際大氣中，由于其他各種吸收因素，這一點(diǎn)不易被覺察出來。23

海水吸收容變黏滯系數(shù)的存在已能在理論上解釋純水的吸收。海水中含硫酸鎂及硼酸，會導(dǎo)致兩項化學(xué)弛豫吸收。海水在低頻時吸收很小（100赫約為10－6分貝/米），但頻率較高時吸收顯著增高。硼酸在海水中含量甚微（約為百萬分之四），但實驗觀察到它的水溶液在約1,000赫時顯示出比純水高300倍的弛豫吸收。至于含量也較低的硫酸鎂導(dǎo)致的反常聲吸收的測量以及理論探討早在20世紀(jì)40年代末已開始。這兩種吸收都與溫度以及水的靜壓力有關(guān) 。海水中含有氣泡等懸浮體，除產(chǎn)生聲散射外，也是造成海水吸收的重要原因。2

溶液吸收電解質(zhì)溶液的聲吸收，其機(jī)制與聲波導(dǎo)致的離解、離子水化等有關(guān)。對非電解質(zhì)溶液，如氨化物、酒精等，其弛豫吸收可用水與溶質(zhì)的氫鍵結(jié)構(gòu)來解釋；對旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體，則視其結(jié)構(gòu)而異。3

生物介質(zhì)聲吸收生物介質(zhì)一般指生物軟組織。聲波在生物介質(zhì)中能量衰減的機(jī)理十分復(fù)雜。除了黏滯、熱傳導(dǎo)和多種復(fù)雜的弛豫過程引起能量耗散外，還有因組織不均勻性而引起聲波的散射，這部分散射能量并不能轉(zhuǎn)換為熱，僅改變聲的傳播路徑。盡管聲波的熱耗散是主要的，但由于二者的貢獻(xiàn)很難分離開來，因而在生物介質(zhì)中常采用聲衰減系數(shù)，替代聲吸收系數(shù)來描述聲波的傳播損耗。2

測量方法主要有4種：①度量發(fā)射聲脈沖的幅度因吸收而引起的隨距離的相對變化的脈沖法。②度量衍射光的強(qiáng)度隨聲場距離的相對變化的光衍射法。③度量駐波聲場中極大值或極小值的幅值隨距離相對變化的聲干涉法。④測量盛有待測介質(zhì)的容器中共振銳度變化的共振法。共振法主要應(yīng)用于較低頻段的測量，而脈沖法應(yīng)用較為普遍，精度較高，方式較多，借助快速發(fā)展的計算機(jī)與電子技術(shù)，脈沖法測量聲吸收技術(shù)也一直在飛速發(fā)展著。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉勇 - 副教授 - 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院