聲散射

聲散射（sound, scattering of）是指聲波在傳播中遇到障礙物時，部分聲波偏離原始傳播路徑，從障礙物四周散播開來的現象。當聲波向障礙物入射時，障礙物受入射聲的激勵而成為一個次級聲源，並將部分入射聲能轉換為散射聲能而向其四周輻射。從障礙物四周散布開來的那部分聲波稱為散射聲波。

基本介紹

• 中文名：聲散射
• 外文名：sound, scattering of
• 學科：聲學
• 特徵：部分聲波偏離傳播路徑四周散播

理論詮釋

散射聲波的能量取自於入射聲波，也即散射聲波的能量與入射聲波射到該障礙物上的能量成正比。此外，散射聲波的能量及其向四周的分布同障礙物的線度與聲波波長的比值、障礙物的物理性質及其結構形狀等有關。散射聲波向四周散布並不是均勻的，即散射聲波具有一定的角分布特性。如一束平面聲波入射到半徑為a的一個彈性球體上時，假定此球體很小，並滿足條件：

ka=2πfa/c=2πa/λ<<1

式中k為聲波波數，f、c與λ分別為聲波的頻率、聲速與波長。在離開小球一定的距離處，散射聲波的聲強分布可用一個近似的解析式來描述：

I∝I₀S₀(a/λ)⁴{[(1－gh²)/3gh²]－[(1－g)cosθ/(1+2g]}²

式中I₀代表入射聲波的聲強，S₀=πa²，g=ρ'/ρ，h=c'/c。而ρ與ρ′分別代表傳播介質的密度與彈性小球的密度 ，c與c′分別代表它們對應的聲速，θ稱為散射角。假定傳播介質為空氣，則可取g>>1，h>>1，從而上式可以簡化為：

I∝I₀S₀(a/λ)⁴(1/3－cosθ/2)²

這時散射聲波的能量分布是不均勻的，主要集中分布於與入射聲波相背的半球方向。此外，從上兩式還可反映出重要的聲散射規律：聲波散射的能量與聲波波長四次方成反比，也即聲波頻率愈高，波長愈短，從入射聲波中獲取的散射能量愈多，這一規律稱為瑞利散射。在光學中也有類似的規律。光學中曾用瑞利散射成功地解釋了為什麼晴朗的天空會呈現蔚藍色的原因。
另一種會產生很強聲散射的現象，也備受人們注意。如果聲在水中傳播而遇到懸浮在其中的微小氣泡，則因為g<<1與h<<1，前式可簡化為：

I∝I₀S₀(a/λ)⁴β

上兩式相比為：

β=1/3(pc²/p′c′²)

室溫下這個β值可達到幾千，即水中氣泡的散射作用比空氣中的堅硬小球要強得多，且散射聲的能量是從小氣泡四周均勻散布開來的。而聲散射能量是取自於入射聲，因此入射聲向原始方向行進的能量就會受到很大損失。說明如果水中存在很多微小氣泡，就會嚴重干擾和阻礙聲波在其中的傳播。

具體套用

聲波的這一散射現象已被作為一種新穎的造影劑套用於超聲醫學診斷成像技術中。

隨著障礙物的線度與聲波波長的比值變大，聲散射的能量及其分布也會隨之變化。例如當ka=5時空氣中一個堅硬球體產生的散射聲強的角分布，這時入射於該球體上的聲能的大部分轉換為散射聲能。如果ka再進一步增大 ，則散射聲能基本上可分為兩半，一半分布於與入射聲波相反方向的半空間，另一半則集中於入射波行進的方向 。而這一部分聲波卻正好與原始入射波位相相反，以致互相疊加結果在球體背後形成較明顯的聲陰影，即球體已擋住了入射聲波繼續行進的去路。反向散射以及其他的散射聲能分布特性同障礙物體的材料、結構、形狀、大小等都有密切關係。現已通過聲散射的特性和規律製作一種聲吶系統，向水中發射聲波來探測敵方魚雷和潛艇等水中目標的行動方位，甚至可勾畫出所探測目標物的輪廓。固體中的聲散射現象也正在被大量揭示出來。如在鋼、鋁等金屬材料及構件中存在傷痕、缺陷或裂縫等都構成了固體中的散射體。將聲散射的研究廣泛套用於材料科學等無損檢測技術展現出巨大的前景。