聲輻射壓力是研究流體中聲波時涉及的一個物理概念。聲輻射壓力與聲能量密度成正比。流體媒質中傳播的聲波，入射到一個障礙物上，在其上所產生的前向平均壓力。其方向與聲傳播的方向相同。與交變的聲壓不同，它是由流體媒質的非線性引起的。用數學方程描述聲波在流體媒質中的傳播規律時，常認為聲壓不大，因而略去方程中的二階小量。正是這些二階小量構成聲輻射壓力。
基本介紹
- 中文名：聲輻射壓力
- 外文名：acoustic radiation pressure
- 領域：電磁學
- 研究對象：聲波
- 性質：與聲能量密度成正比
- 相關名詞：輻射聲壓
概述,歷史,瑞利輻射壓力,朗之萬輻射壓力,聲輻射壓力的潛在套用,
概述
流體媒質中傳播的聲波，入射到一個障礙物上，在其上所產生的前向平均壓力。其方向與聲傳播的方向相同。與交變的聲壓不同，它是由流體媒質的非線性引起的。用數學方程描述聲波在流體媒質中的傳播規律時，常認為聲壓不大，因而略去方程中的二階小量。正是這些二階小量構成聲輻射壓力。
聲輻射壓力是一種觸覺反饋系統，與人耳聽不見的聲音相作用(通常是超音波)。聲輻射壓力可由產生特定聲波的揚聲器構成，這種聲波會在特定位置產生壓力密度的差異。簡單來說，超音波在壓力之下會出現形狀的改變，並模擬出一種虛構的形狀和力度,而這種壓力就被稱為聲輻射壓力。聲輻射壓力與聲能量密度成正比。
一個很好的類比是雷射/氣泡技術(使用雷射在玻璃上製作不同的氣泡形狀)。一束雷射的熱度不足以影響玻璃，但當兩個光束相交的時候，它們的力量就會疊加並影響玻璃，從而製作出氣泡圖案。交叉的超音波束也如此。在結合諸如英特爾RealSense這樣的手部追蹤技術後，聲輻射壓力光束可以創造出一些阻力或紋理的錯覺。
聲輻射壓力(ARP)可能是觸覺反饋中的重大突破。虛擬現實套用可以利用該系統的潛在優點來提供其他其他觸覺套裝或控制器所不能實現的沉浸感水平。這是朝著完全沉浸式VR所邁出的巨大一步。
這項技術最早見於2009年的日本。東京大學的一組研究人員測試了一項“Airborne Ultrasound Tactile Display”(懸空超音波觸覺顯示技術)的新技術，通過超音波來產生某種可觸摸的全息圖。
其中一名研究人員表示:“雖然我們可以‘看到’全息圖像，就好像它們真的漂浮在我們面前，但我們不能‘觸摸’他們，因為它們只是光線。該項目為3D自由空間中的懸浮圖像添加了觸覺反饋。觸覺這種感覺需要與物體相接觸才能形成，但在工作空間中包括一個刺激器會稀釋全息圖像的外觀。而懸空超聲觸覺顯示器可以在用戶的手上產生觸覺，同時不會有任何直接的接觸,也不會稀釋全息投影的質量。”
新技術會使用超音波向用戶傳輸觸覺。用戶無需接觸就能感覺到按鈕，或是在與虛擬物體互動時獲得觸覺反饋。YiVian多次報導的Ultrahaptics開發了超音波觸覺技術，可讓你在半空中就能觸摸到物體，無需佩戴任何設備或觸摸任何東西。
歷史
20世紀50年代以前，人們僅限於研究平面大振幅聲波在非線性聲學無吸收流體中的傳播。隨著大功率超聲、高速噴氣發動機等強聲源的不斷出現和日益廣泛地套用，自50年代以來，非線性聲學獲得了很大的進展。大量的研究工作包括:耗散流體中的傳播,非平面波的傳播（但主要仍然是一維的），駐波以及耗散的作用等。有關折射問題和二維反射問題已有所觸及，但衍射問題剛有所探討。聲空化（見超聲學）現象的研究也已經開始。
麥克斯韋在計算光壓時，錯誤地認為電磁波中電場的方向就是金屬板中電流的方向。事實上，金屬板中電流的方向半個周期內加速運動，半個周期內減速運動，半個周期內電場方向與電流方向相反，因此平均洛倫磁力應該是0，光壓應該是0。電場力平行於金屬板表面，金屬板內的電子運動方向也平行於板面，電場力不會產生壓力，該運動的電子受到磁場的作用力——洛倫磁（茲）力，與金屬板面垂直，但是半個周期與電磁波傳播方向相同，另外半個周期與電磁波傳播方向相反。平均壓力是0。
瑞利輻射壓力
瑞利考慮聲波在氣體中傳播是一個絕熱過程，導出單位面積上的聲輻射壓力為
式中
為氣體的比熱容比，D為障礙物前的聲能密度。這樣求得的聲輻射壓力常稱為瑞利輻射壓力。
朗之萬輻射壓力
L.-N.布里淵和 P.朗之萬考慮了聲波運動方程中的對流項，導出單位面積上的聲輻射壓力與障礙物前聲能密度的關係為
常稱為朗之萬輻射壓力。瑞利輻射壓力適用於無限流體媒質內的平面波情況，而郎之萬輻射壓力適用於無限流體媒質內的有限束寬平面波情況，因而兩者並不相同。在實際測量情況下，一般測得的是朗之萬輻射壓力。
上面這個公式適用於障礙物對入射聲全部吸收的情況。如為全反射，則該公式應為
聲輻射壓力很小，可以從以下兩例看出：
①水中聲壓幅值為5個大氣壓（1個大氣壓等於101325帕）的強聲所產生的聲輻射壓力只不過萬分之幾大氣壓；
②空氣中140分貝的強聲所產生的輻射壓力只有0.3帕。
在聲學測量中，聲輻射壓力常被用來測量聲強、聲功率等。
輻射壓力是波的一個普遍物理現象，光波亦有光的輻射壓力（見光壓）
聲輻射壓力的潛在套用
（1）汽車：手勢識別控制將有助於司機擺脫物理按鈕和複雜操作界面的限制；
（2）家用電器：免觸摸控制將讓你通過簡單的揮動手部就能管理所有的廚房電器、控制你的冰櫃或降低烤爐的溫度，所有這一切都無需觸摸任何東西；
（3）遊戲和計算：人之本性告訴我們,當小孩子希望得到某樣東西或希望進行探索時，他們會首先伸出手去,嘗試去觸摸和感受。無論是遊戲、社交、開發、觀看成人娛樂視頻或學習，為了體驗完整的3D世界，我們都需要一種身臨其境的3D感覺；
（4）消費電子：聯網家庭需要一個連線界面。你可以通過揮動手部來控制照明、電視、音樂和恆溫器等等，或者只需在空中輕輕一點即可；
（5）對於無限可用的聲輻射壓力而言，這只是眾多潛在套用的其中一部分。特別是虛擬現實，超音波觸覺技術可以成為重要的顛覆力量。想像一下，這種技術與VR遊戲或VR成人娛樂產業相結合的情形，其互動性將會大為提升。我們已經等不及要看看配備這種神奇新技術的未來。
