電漿聲學在歷史上，關於電漿中的波動問題長期沒有得到應有的注意，因為人們認為它在天體物理學、氣體放電、受控熱核反應這些電漿研究的主要領域中並不占重要地位。
基本介紹
- 中文名：電漿聲學
- 外文名：Plasma acoustics
- 拼音：denglizitishengxue
- 類型：物理
簡介,發展,參考書目,
簡介
電漿聲學主要研究電漿中那些性質上可看成是聲的發生、傳播和接收的動力學現象。它是一門新近發展起來尚未完全定型的學科。它的建立不僅對聲學領域的完整──把聲學擴展到物質第四態──是必要的，而且對於電漿動力學的發展也是關鍵性的，因為對波動現象的研究提供了理論與實驗相聯繫的唯一環節，同時也提供了探測電漿的重要手段。
在歷史上，關於電漿中的波動問題長期沒有得到應有的注意，因為人們認為它在天體物理學、氣體放電、受控熱核反應這些電漿研究的主要領域中並不占重要地位。
在歷史上，關於電漿中的波動問題長期沒有得到應有的注意，因為人們認為它在天體物理學、氣體放電、受控熱核反應這些電漿研究的主要領域中並不占重要地位。
發展
波傳播問題第一個最重要的發展是在電離層物理方面取得的。1931年D.R.哈特里提出無線電波通過大氣層中E電離層反射的完整理論。另一個最重要的貢獻是H.阿爾文在研究宇宙電動力學時給出的，他於1942年發現類似於彈性弦上橫波的磁流體動力波（見電漿中的波）。
與中性氣體中的聲波不同，在電漿中，外加電場和磁場以及氣體本身由於運動而產生的相應的力和場導致複雜的動力學現象，這些現象在很大程度上依賴於氣體的電離度。
在弱電離氣體中，尋常聲波的作用迫使離子和電子隨著數量上占絕對優勢的中性粒子一起運動。帶電粒子從外加電場吸收能量並將其中一部分傳遞給中性粒子，這不僅使中性氣體受熱還使它電離。以這種方式生成的帶電粒子在某些條件下以波的形式在氣體中傳播。這種氣體的動力學與中性氣體沒有什麼不同,聲速也一樣,即由中性氣體中的熱運動速度確定。
從聲學觀點來看，電漿與中性氣體混合物之間的基本差別在於：前者與電磁場之間的耦合作用非常強而後者非常弱(僅由壓電效應引起)。實際上，電漿不僅受電磁場控制，而且其存在通常也依賴於電場。電子從維持放電的外電場吸收能量，而其能量損失（主要是通過彈性碰撞傳遞給中性粒子）依賴於電子的平均速率或溫度；在電子的一個特定溫度下，能量的得失達到平衡。同中性氣體的情況相反，電漿中各氣體成分的穩態溫度差別很大，電子溫度比離子溫度和中性氣體溫度高得多（有時達數千倍）。由於這一溫度差，存在著從電子到中性氣體成分的連續能流，如使這種能量傳遞隨著時間變化，聲音就在中性氣體成分中產生。尋常輝光放電中引進的輝紋（電離波）和電漿餘輝（指電場關閉後電漿的衰變周期）都是造成這類聲發生的重要例子。
電漿也可以對聲波起“放大”作用。因其中的自由電子表現為供給氣體附加熱能的恆定源，當這源同外加聲波耦合時，就可發生使電子能量轉換為聲能的正反饋。
在強電離氣體中，中性粒子的影響可以忽略，而主要是熱運動速率以至溫度都不相同的離子和電子。因此不再存在一個可以近似認為與聲速相等的唯一熱運動速率。但由於電子壓力pe通常遠大於離子壓力pi，而離子密度ρi遠大於電子密度ρe，所以仍可將強電離氣體中尋常聲波的速度寫為形式(γ為一適當的比熱容比)。在這種通常稱作離子聲波的模式中,離子提供慣性而電子提供恢復力。這種模式中不存在電荷分離，而波動表現為密度起伏和相應的溫度變化。
另一種縱向振動方式──電漿振盪──則以電荷分離為特徵：若電子因擾動而偏離其平衡位置，就在電子與離子間建立起電場，並在發生位移的電子上形成一與位移成正比的恢復力，從而發生振盪。電漿振盪的阻尼除了由電子流體中的粘性應力和熱傳導引起以外，還與電子被這種振盪所產生的行進周期性勢阱俘獲有關。後一部分稱作朗道阻尼，依賴於電子速度分布函式的形式。
當存在磁場時,電漿成為各向異性的,因而波動現象更為複雜。電漿聲學只限於討論低頻現象，這時可以略去電荷分離效應，而磁場的效應等效於一個各向同性的磁壓分量B2/2和一個沿磁力線方向每單位面積上的拉力B2。在電導率為無限大的極限情形下，磁場與流體速度場之間的耦合非常強，以致磁力線隨著流體一起對流，就像是被“凍入”流體之中似的。上述這些重要的運動特徵即意味著流體中存在一種大體與拉緊的弦上的波相似的橫波，這就是上文所提到過的阿爾文波。
如流體的電導率是有限的，則磁場與流體運動之間的耦合就不完全，磁力線將漫射開來或通過流體"滑走"。這就使上述的波受到阻尼。
磁場對在導電流體中傳播的聲波的影響當傳播方向與磁場方向垂直時最大，而當二者一致時沒有影響。由於耦合作用，磁場對流體中粒子的運動提供一附加恢復力，從而使聲速增加。而聲波的衰減與頻率同電導率的比值有關，當這比值趨於零和無窮大時衰減都為零，而當這比值取1的數量級時衰減達到極大值。
當磁場B方向與波矢k成任意角度θ時，存在三種可能的特徵運動方式，這取決於流體速度是平行於還是垂直於(B，k)平面。在平行的情況下，波的振動方式是既包含橫向運動（阿爾文波）也包含縱向運動（聲波）的耦合波，它們按所包含橫向成分和縱向成分的主次地位可分為兩類：帶有少許聲波的阿爾文波和帶有少許阿爾文波的聲波；在垂直情況下，簡單地就是阿爾文波，只是其波速為流體中的特徵阿爾文速率乘以因子cosθ。
與中性氣體中的聲波不同，在電漿中，外加電場和磁場以及氣體本身由於運動而產生的相應的力和場導致複雜的動力學現象，這些現象在很大程度上依賴於氣體的電離度。
在弱電離氣體中，尋常聲波的作用迫使離子和電子隨著數量上占絕對優勢的中性粒子一起運動。帶電粒子從外加電場吸收能量並將其中一部分傳遞給中性粒子，這不僅使中性氣體受熱還使它電離。以這種方式生成的帶電粒子在某些條件下以波的形式在氣體中傳播。這種氣體的動力學與中性氣體沒有什麼不同,聲速也一樣,即由中性氣體中的熱運動速度確定。
從聲學觀點來看，電漿與中性氣體混合物之間的基本差別在於：前者與電磁場之間的耦合作用非常強而後者非常弱(僅由壓電效應引起)。實際上，電漿不僅受電磁場控制，而且其存在通常也依賴於電場。電子從維持放電的外電場吸收能量，而其能量損失（主要是通過彈性碰撞傳遞給中性粒子）依賴於電子的平均速率或溫度；在電子的一個特定溫度下，能量的得失達到平衡。同中性氣體的情況相反，電漿中各氣體成分的穩態溫度差別很大，電子溫度比離子溫度和中性氣體溫度高得多（有時達數千倍）。由於這一溫度差，存在著從電子到中性氣體成分的連續能流，如使這種能量傳遞隨著時間變化，聲音就在中性氣體成分中產生。尋常輝光放電中引進的輝紋（電離波）和電漿餘輝（指電場關閉後電漿的衰變周期）都是造成這類聲發生的重要例子。
電漿也可以對聲波起“放大”作用。因其中的自由電子表現為供給氣體附加熱能的恆定源，當這源同外加聲波耦合時，就可發生使電子能量轉換為聲能的正反饋。
在強電離氣體中，中性粒子的影響可以忽略，而主要是熱運動速率以至溫度都不相同的離子和電子。因此不再存在一個可以近似認為與聲速相等的唯一熱運動速率。但由於電子壓力pe通常遠大於離子壓力pi，而離子密度ρi遠大於電子密度ρe，所以仍可將強電離氣體中尋常聲波的速度寫為形式(γ為一適當的比熱容比)。在這種通常稱作離子聲波的模式中,離子提供慣性而電子提供恢復力。這種模式中不存在電荷分離，而波動表現為密度起伏和相應的溫度變化。
另一種縱向振動方式──電漿振盪──則以電荷分離為特徵：若電子因擾動而偏離其平衡位置，就在電子與離子間建立起電場，並在發生位移的電子上形成一與位移成正比的恢復力，從而發生振盪。電漿振盪的阻尼除了由電子流體中的粘性應力和熱傳導引起以外，還與電子被這種振盪所產生的行進周期性勢阱俘獲有關。後一部分稱作朗道阻尼，依賴於電子速度分布函式的形式。
當存在磁場時,電漿成為各向異性的,因而波動現象更為複雜。電漿聲學只限於討論低頻現象，這時可以略去電荷分離效應，而磁場的效應等效於一個各向同性的磁壓分量B2/2和一個沿磁力線方向每單位面積上的拉力B2。在電導率為無限大的極限情形下，磁場與流體速度場之間的耦合非常強，以致磁力線隨著流體一起對流，就像是被“凍入”流體之中似的。上述這些重要的運動特徵即意味著流體中存在一種大體與拉緊的弦上的波相似的橫波，這就是上文所提到過的阿爾文波。
如流體的電導率是有限的，則磁場與流體運動之間的耦合就不完全，磁力線將漫射開來或通過流體"滑走"。這就使上述的波受到阻尼。
磁場對在導電流體中傳播的聲波的影響當傳播方向與磁場方向垂直時最大，而當二者一致時沒有影響。由於耦合作用，磁場對流體中粒子的運動提供一附加恢復力，從而使聲速增加。而聲波的衰減與頻率同電導率的比值有關，當這比值趨於零和無窮大時衰減都為零，而當這比值取1的數量級時衰減達到極大值。
當磁場B方向與波矢k成任意角度θ時，存在三種可能的特徵運動方式，這取決於流體速度是平行於還是垂直於(B，k)平面。在平行的情況下，波的振動方式是既包含橫向運動（阿爾文波）也包含縱向運動（聲波）的耦合波，它們按所包含橫向成分和縱向成分的主次地位可分為兩類：帶有少許聲波的阿爾文波和帶有少許阿爾文波的聲波；在垂直情況下，簡單地就是阿爾文波，只是其波速為流體中的特徵阿爾文速率乘以因子cosθ。
參考書目
T.J.M.博伊德、J.J.桑德森同著，戴世強、陸志雲譯：《電漿動力學》，科學出版社，北京,1977。(T.J.M.Boyd and J.J.Sanderson,Plasma Dynamics,Nelson, London,1969.)
P.M.莫爾斯、K.U.英格特著，楊訓仁等譯：《理論聲學》，下冊，第12章，科學出版社，北京,1986。(P.M.Morse and K.U.Ingard,Theoretical Acoustics,Chap.12, McGraw-Hill,New York, 1968.)
