聲吸收

當聲波通過媒質或射到媒質表面上時聲能減少的過程。這主要是由於媒質的黏滯性、熱傳導性和分子弛豫過程，使有規的聲運動能量不可逆地轉變為無規地熱運動能量。

基本介紹

• 中文名：聲吸收
• 外文名：sound, absorption of
• 學科：聲學
• 特徵：聲能傳播中變熱並出現隨距離衰減

簡介

引起介質對聲吸收的原因很多。靜止和均勻流體介質中主要原因有介質的黏滯性、熱傳導以及介質的微觀動力學過程中引起的弛豫效應等。非純介質（如大氣中含有灰塵粒子、液態霧滴等）中，在聲波作用下這些懸浮體對介質作相對運動而產生的摩擦損耗，以及在水霧中弛豫效應等也是引起聲吸收的原因。
由於聲吸收的客觀存在，在研究聲學現象時不能不引起普遍關注。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混響時間的重要因素。海水中含有一定的化學物質，頻散吸收要顯著高於純水。地震、火山爆發以及核爆炸時發出的聲音，含有遠低於20赫的次聲成分，可持續繞地球轉幾個圈。可見聲波的吸收既決定於介質的一些特性，也與聲波的頻率有關。從聲吸收規律來探索（物質）介質的特性和結構，已發展成聲學分支——分子聲學，它通過巨觀的聲吸收以及聲頻散來研究分子以至原子等微觀結構與各種頻率聲波的相互作用。當然，聲吸收的研究範圍還要廣泛得多。

發展簡史

G.斯托克斯在1845年就導得由黏性引起的流體中聲吸收公式。其吸收係數除了與黏滯係數成正比外，還與聲波的頻率二次方成正比。這裡的黏滯係數僅指當時可由流體力學方法確定的切變黏滯係數。G.基爾霍夫1868年又提出了由熱傳導引起的聲吸收，這一部分的吸收係數除了與介質的熱導率成正比外，還與聲波的頻率成二次方關係。後人把這兩部分吸收加起來稱之為經典吸收。以後，特別自20世紀20年代開始採用比較先進的壓電效應技術來產生並接收聲波起，迅速蓬勃地展開了可以在很大範圍（包括在各種氣體、液體乃至固體）內測量聲吸收的研究。大量的測量發現，除了單原子氣體（如氬氣等）外，幾乎所有的氣體都與經典理論有偏離。1920年愛因斯坦提出了從聲頻散來確定締合氣體的反應率，從而促進了對氣體分子熱弛豫吸收理論的廣泛研究。進入30年代後，這種弛豫吸收機制延伸到液體的研究。此後數十年來，流體中聲吸收的實驗和理論研究不僅擴展了頻率（次聲到特超聲）範圍，而且涉及廣泛的介質，包括各種化學和生物介質以至含水霧的大氣等。

固體中吸收的研究開展得稍遲一些，20世紀30年代末起才出現這方面的測量。從巨觀看來，橫波或剪下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並存，並且涉及晶軸的取向等，吸收機制較為複雜。目前已成為聲學和固體物理學研究的領域。

經典吸收

主要由黏滯和熱傳導兩部分吸收組成。

黏滯吸收

聲波通過介質時介質質點因相對運動而產生內摩擦，即黏滯作用，導致聲的吸收。對於流體，黏滯作用由切變黏滯係數以及容變黏滯係數二部分來描述。前者是由介質的剪下形變產生的，後者巨觀上是由體積變化引起的 。已經證明，大量測試中表現出來的超過經典吸收的部分是容變黏滯係數的作用，這一係數與微觀過程的弛豫性質有關，不是常數，而是聲波頻率的函式。

熱傳導吸收

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

弛豫吸收

弛豫吸收由介質分子的微觀內過程引起，主要有下列機制。

分子弛豫吸收

分子熱弛豫吸收簡稱分子弛豫吸收。一般發生於多原子分子的氣體中。實質是分子的相互碰撞，使外自由度（指分子平動自由度）和內自由度（分子的振動和轉動自由度）之間發生能量的重新分配。介質靜止時可用壓強 、溫度、密度等物理參量描述這一平衡狀態。聲波通過時介質發生壓縮和膨脹過程，介質的物理參量及其相應的平衡狀態也將隨聲波過程而發生簡諧變化。而任何狀態的變化都伴有內外自由度能量的重新分配，並向一個具有新的平衡能量分配狀態過渡。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，建立新的平衡狀態所需要的時間稱為弛豫時間。這種過程伴隨著熱力學熵的增加。由此導致有規的聲能向無規的熱轉化 ，即聲波的弛豫吸收。

圖1

化學弛豫

聲波通過會產生可逆化學反應的介質時，也會發生與上述熱弛豫類似的化學反應平衡的破壞，並產生弛豫過程。這種過程同樣也導致聲的吸收。可出現這種化學反應弛豫的介質有分子發生解離和締合作用的氣體、各種能起化學反應的混合物以及電解質溶液等。研究弛豫過程對物質的聲學性質的影響正是從化學弛豫開始的。

結構弛豫

聲波通過一般液體時，由於分子間互相作用很強，熱弛豫時間很短，聲吸收主要由於液體分子的體積發生變化產生，這種發生介質微觀結構的重建過程的弛豫稱為結構弛豫。純水具有結構弛豫，它對吸收貢獻較大。

多重弛豫

一種介質可存在一個以上的弛豫過程。如電解質水溶液，可同時既存在純水的結構弛豫，也存在電解質的解離－締合化學反應弛豫。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。實驗發現 ，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上具有連續譜的特徵 ，這種弛豫稱為多重弛豫。對於某些生物介質（如牛血紅蛋白的水溶液等），實驗也發現有連續弛豫時間譜的特性。現代用聲吸收技術來研究這些物質的結構和特性。

實際介質聲吸收

典型的有下述三種情況。

大氣吸收

大氣中主要吸收機制是分子弛豫吸收，即與空氣中所含氧氣、氮氣、水蒸氣和二氧化碳的主要成分有關。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；氮氣含量雖多，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。當大氣中含有水霧時（與固體及非蒸發性液滴懸浮體不同），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係，在頻率較高時，黏滯吸收和熱傳導吸收仍占較大比例 ，不過在實際大氣中，由於其他各種吸收因素，這一點不易被覺察出來。

圖2

海水吸收

容變黏滯係數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，會導致兩項化學弛豫吸收。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。至於含量也較低的硫酸鎂導致的反常聲吸收的測量以及理論探討早在20世紀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 。海水中含有氣泡等懸浮體，除產生聲散射外，也是造成海水吸收的重要原因。

圖3

溶液吸收

電解質溶液的聲吸收，其機制與聲波導致的離解、離子水化等有關。對非電解質溶液，如氨化物、酒精等，其弛豫吸收可用水與溶質的氫鍵結構來解釋；對旋轉異構體，則視其結構而異。

圖4

生物介質聲吸收

生物介質一般指生物軟組織。聲波在生物介質中能量衰減的機理十分複雜。除了黏滯、熱傳導和多種複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，這部分散射能量並不能轉換為熱，僅改變聲的傳播路徑。儘管聲波的熱耗散是主要的，但由於二者的貢獻很難分離開來，因而在生物介質中常採用聲衰減係數，替代聲吸收係數來描述聲波的傳播損耗。

測量方法

主要有4種：①度量發射聲脈衝的幅度因吸收而引起的隨距離的相對變化的脈衝法。②度量衍射光的強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測量盛有待測介質的容器中共振銳度變化的共振法。共振法主要套用於較低頻段的測量，而脈衝法套用較為普遍，精度較高，方式較多，藉助快速發展的計算機與電子技術，脈衝法測量聲吸收技術也一直在飛速發展著。