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超聲波的吸收特性

Lingke888 ? 來源:Lingke888 ? 作者:Lingke888 ? 2022-07-21 08:55 ? 次閱讀

超聲波在介質中傳播時被吸收的情況與介質的性質有關。因此,對超聲吸收的研究不僅對了解超聲在介質中傳播情況是必要的,而且也是探索介質特性和結構的一種方法。
(1)液體介質中的聲吸收
根據經典理論,液體介質中的聲吸收主要是由于介質的內摩擦或黏滯性引起的。根據斯托克斯(Stokes)的推導,內摩擦引起的吸收系數等于

poYBAGLYoeCAP7mtAACBZhvMS2A120.png

該等式中,η為介質的黏滯系數;p為介質的密度;f為超聲波的頻率;c為聲速。
除此之外,聲吸收還與聲波在其中傳播的介質的導熱性有關,由于熱傳導使得聲波的壓縮和稀疏部分之間進行熱交換,必然引起聲波能量的減少。基爾霍夫(Kirchhoff)曾導出由于熱傳導引起的聲吸收為

pYYBAGLYokaAHntjAACLt31wXTw079.png

該等式中,K為介質的熱導率;y為比定壓熱容與比定容熱容的比值;為比定壓熱容。 因此,總吸收系數為

pYYBAGLYolSAFXvFAAENH5VcgSU003.png


(1-3)


由此式看出,吸收系數α與聲波頻率的平方成正比。
按照式(1-3)計算的結果與實際測量結果有一些差異,這是因為聲波通過液體時,液體依次發生的狀態是不平衡的,而且狀態的變化是不可逆的,因而聲波還要喪失一些能量。另外,還有分子吸收未被考慮。準確計算聲吸收系數時,必須仔細考慮以上諸因素。
(2)氣體介質中的聲吸收
氣體介質中的聲吸收,經典理論給出了與液體介質中完全相同的表達式,即式(1-3)。在多原子氣體中測得的吸收系數總是大于按經典理論計算的值。引起聲吸收值增高的原因也是由于分子的內部過程,即存在著分子聲吸收。
(3)固體介質中的聲吸收
在固體介質中,聲吸收在很大程度上取決于固體的實際結構。在均勻的介質中,聲的吸收基本上是由內摩擦和熱傳導所決定,通常是很小的。然而,當聲波在多晶體固體介質中傳播時,由于這些多晶體是由許多分開的小晶體組成的,所以聲吸收主要由晶體的大小和聲波波長的關系決定。在高頻,當聲波波長小于晶粒的大小時,即λd時(d是晶粒的直徑),則在每個晶粒中聲都會受到吸收,吸收系數與頻率的平方成正比。假如波長與晶粒大小是同數量級的,則聲在各個晶體之間便出現散射,并且聲吸收主要由漫散射決定。當λd時, 聲波一方面被比波長小的質點所散射,同時吸收由熱傳導引起的比例大為增加。對于很低的頻率,稱作能量的瑞利散射的聲波在聲的吸收方面有很大的影響。聲吸收是與頻率的4次方成正比的。
在一些固體材料中,假如聲強度足夠高,則由于聲吸收可使材料的溫度得到很大升高,這種熱效應在超聲焊接等方面有實際意義。

審核編輯 黃昊宇

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