工程物理基础-第1篇-声学基础-第1章-质点振动系统.pptxVIP

工程物理根底;第1篇声学根底;声学是一门研究声波的产生、传播、接收以及与物质相互作用的科学。

声是一种机械扰动在气态、液态、固态物质中传播的现象。所谓扰动，是指在气态、液态、固态物质中的一个密度的、或者是压力的、或者是速度的某种微小变化，这个变化在弹性介质中就会传播出去，这个传递的能量就是声。从声的这个概念上讲，只要在弹性介质中存在扰动，就会产生声波。

声波在传播过程中会引起物质的光学、电磁、力学、化学性质以及人类生理、心理等性质的变化，而它们反过来又会影响声音的传播。所以声学研究的范畴非常广，分支很多。;声波的振动频率范围宽广，为10-4~1014Hz。最初，声学的研究局限于可听的声音，即大约20Hz至20kHz频段的声波，称声频声，包括对音乐与乐器的研究，语言及听觉的研究，建筑声学的研究，电声系统〔、微音器、喇叭等〕的研究等。以后研究的领域逐渐扩展，低频方面扩展到20Hz以下的次声波，如1Hz以下的地震波等，高频方面扩展到20kHz以上的超声涉及至数千兆赫的特超声。目前整个声学研究的频率范围跨越1018Hz，是物理学各分支里少有的。随着频率的升高，声学进入微观世界，不断发现新的现象和新的应用。

声学既有经典的物理性质，又有量子的性质，成为翻开微观世界的一把钥匙。同时，随着频率的降低，低频声波的吸收衰减越来越小，穿透能力和传播距离大大增加，成为观察大气、海洋、地壳中许多现象的强有力的工具。;声学作为一门现代科学是从17世纪开始，和力学、电磁学等物理学科一起开展起来的。培根很早就讲过：“没有数学的介入，自然界的许多局部就不能详细的解释。”几乎当时所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理做过奉献，如伽利略、牛顿、欧拉、达朗贝尔和拉普拉斯等。

伽利略发现摆的等时性规律，是近代振动和声学的科学的开端。此后，法国数学家伽桑狄利用远地枪声和闪光之间的时差测定了声在空气中传播的速度。法国数学家达朗贝尔于1747年首次推出弦的波动方程，并预言可用于声波。经典声学的特点是有比较精确??测量，对声的物理实质有了深刻的认识，开展了相应的数学手段，建立了波动方程，对声波在气体、固体、液体和有限空间中的传播进行了理论和实践研究。经过一百多年许多科学家的努力，1877年英国物理家瑞利〔Rayleigh〕

总结了前人的成果，出版了《声学理论》一书。此书集经典声学之大成，对后来的各种波动传播理论的开展具有重要作用。;瑞利《声学理论》一书中的第一局部包括弦、杆、膜和板的振动。他还提出了瑞利-利茨方法，这在固体结构的振动和量子力学中均有广泛的应用；书的第二局部牵涉声在液体中的传播。至今，特别是在理论分析工作中，人们还常引用这部巨著．

19世纪末，理论工作研究的频段已不局限于音频范围，但由于没有高频声源，所以高频声的研究没能得到开展。1880年居里〔Curie〕兄弟发现了压电效应，但是直到电子管放大器创造以后，采用压电效应的电声换能器才能用于工程上，压电换能器作为高频声源才变成现实。

20世纪，由于电子学的开展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生、接收和利用任何频率、任何波形。几乎任何强度的声波，以致声学研究的范围不断扩大。;现代声学中最初开展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量；以后，随着频率研究范围的扩展，又开展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究听觉，开展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信播送的研究，开展了语言声学。第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促进了水声学的开展。与其他学科结合，声学形成了许多交叉学科。

20世纪初以来，特别是20世纪50年代以来，全世界由于工业、交通等事业的巨大开展出现了环境噪声污染问题，从而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击声研究的开展。大振幅的非线性声学也得到重视，这样逐渐形成了完整的现代声学体系。;声学是一门科学;声波的产生机制;目前的声波产生机制研究前沿，主要包括流致噪声、结构声辐射和热声学等几个方面。

流致噪声研究的是流体的流动所产生的噪声，其应用很广。当前最困难的问题是湍流所产生的无规噪声。计算机中的风扇、潜艇在水下的活动，都会产生流动的不稳定，这种不稳定可以开展成为一系列的涡，涡流变化比较快的时候，就会变成更加复杂的湍流。研究说明：实际上，湍流里面不是无规的，而是有序的，有一定的科学规律，称之为混饨现象。掌握了这些规律，我们就可以利用声与涡之间的相互作用，来到达控制流场或声场的目的。如利用声波来控制涡的产生与开展，可以把声的能量变成涡的能量耗散掉。;热声学研究声与热之间的关系。19