超声波的吸收特性

超声波在介质中传播时被吸收的情况与介质的性质有关。因此,对超声吸收的研究不仅对了解超声在介质中传播情况是必要的,而且也是探索介质特性和结构的一种方法。

(1)液体介质中的声吸收

根据经典理论,液体介质中的声吸收主要是由于介质的内摩擦或黏滞性引起的。根据斯托克斯(Stokes)的推导,内摩擦引起的吸收系数等于

式中,η为介质的黏滞系数;p为介质的密度;f为超声波的频率;c为声速。

除此之外,声吸收还与声波在其中传播的介质的导热性有关,由于热传导使得声波的压缩和稀疏部分之间进行热交换,必然引起声波能量的减少。基尔霍夫(Kirchhoff)曾导出由于热传导引起的声吸收为

由此式看出,吸收系数α与声波频率的平方成正比。

按照式(2-8)计算的结果与实际测量结果有一些差异,这是因为声波通过液体时,液体依次发生的状态是不平衡的,而且状态的变化是不可逆的,因而声波还要丧失一些能量。另外,还有分子吸收未被考虑。准确计算声吸收系数时,必须仔细考虑以上诸因素。

(2)气体介质中的声吸收

气体介质中的声吸收,经典理论给出了与液体介质中完全相同的表达式,即式(2-8)。在多原子气体中测得的吸收系数总是大于按经典理论计算的值。引起声吸收值增高的原因也是由于分子的内部过程,即存在着分子声吸收。

(3)固体介质中的声吸收

在一些固体材料中,假如声强度足够高,则由于声吸收可使材料的温度得到很大升高,这种热效应在超声焊接等方面有实际意义。

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