[科普中國]-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。這主要是由于媒質的黏滯性、熱傳導性和分子弛豫過程，使有規(guī)的聲運動能量不可逆地轉變?yōu)闊o規(guī)地熱運動能量。1

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(tài)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。2
由于聲吸收的客觀存在，在研究聲學現(xiàn)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，含有遠低于20赫的次聲成分，可持續(xù)繞地球轉幾個圈。可見聲波的吸收既決定于介質的一些特性，也與聲波的頻率有關。從聲吸收規(guī)律來探索（物質）介質的特性和結構，已發(fā)展成聲學分支——分子聲學，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構與各種頻率聲波的相互作用。當然，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)僅指當時可由流體力學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引起的聲吸收，這一部分的吸收系數(shù)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20年代開始采用比較先進的壓電效應技術來產生并接收聲波起，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年代后，這種弛豫吸收機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展了頻率（次聲到特超聲）范圍，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。3

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(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，吸收機制較為復雜。目前已成為聲學和固體物理學研究的領域。3

經(jīng)典吸收主要由黏滯和熱傳導兩部分吸收組成。2

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。前者是由介質的剪切形變產生的，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有關，不是常數(shù)，而是聲波頻率的函數(shù)。2

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(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。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(shù)量級，但前者總比后者低些。液體熱傳導吸收一般較小，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分子的微觀內過程引起，主要有下列機制。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(fā)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(tài)。聲波通過時介質發(fā)生壓縮和膨脹過程，介質的物理參量及其相應的平衡狀態(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熵的增加。由此導致有規(guī)的聲能向無規(guī)的熱轉化 ，即聲波的弛豫吸收。2

化學弛豫聲波通過會產生可逆化學反應的介質時，也會發(fā)生與上述熱弛豫類似的化學反應平衡的破壞，并產生弛豫過程。這種過程同樣也導致聲的吸收?？沙霈F(xiàn)這種化學反應弛豫的介質有分子發(fā)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。23

結構弛豫聲波通過一般液體時，由于分子間互相作用很強，熱弛豫時間很短，聲吸收主要由于液體分子的體積發(fā)生變化產生，這種發(fā)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。2

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(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（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)代用聲吸收技術來研究這些物質的結構和特性。23

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(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系，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，由于其他各種吸收因素，這一點不易被覺察出來。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，會導致兩項化學弛豫吸收。海水在低頻時吸收很?。?00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。2

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。3

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復雜。除了黏滯、熱傳導和多種復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，但由于二者的貢獻很難分離開來，因而在生物介質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。共振法主要應用于較低頻段的測量，而脈沖法應用較為普遍，精度較高，方式較多，借助快速發(fā)展的計算機與電子技術，脈沖法測量聲吸收技術也一直在飛速發(fā)展著。2

本詞條內容貢獻者為:

劉勇 - 副教授 - 西南大學資源環(huán)境學院