2 声学基础及其原理[13] 在我们的生活环境中会遇到声强从弱到强范围很宽的各种声音[5]。如此广阔范围的能量变化直接使用声功率和声压的数值很不方便，而用对数标度以突出其数量级的变化则相对明了些；另一方面人耳对声音的接收，并不是正比与强度的变化值，而更近于正比与其对数值，由于这两个原因，在声学中普遍使用对数标度来度量声压、声强、声功率，分别称为声压级、声强级和声功率级，单位用分贝（dB ）来表示[1]。 2.1声压级 将待测声压的有效值P e 与参考声压P o 的比值取以10为底数的常用对数，再乘以20。即： L p =20lg o e P P （dB ） （2.1） 在空气中，参考声压P 0规定为2?10-5帕，这个数值是正常人耳对1000Hz 声音刚能够觉察到的最低声压值。式（2.1）也可以写为： L p =20lgp+94 （dB ） （2.2） 式中p 是指声压的有效值P e ，由于声学中所指的声压一般都是指其有效值，所以都用p 来表示声压有效值P e 。 人耳的感觉特性，从可听域的2?10-5帕的声压到痛域的20帕，两者相差100万倍，而用声压级表示则变化为0-120分贝的范围，使声音的量度大为简明。 2.2 声强级： 为待测声强I 与参考声强I 0的比值取以常用对数再乘以10，即： L I =10lg 0 I I （dB ） （2.3） 在空气中，参考声强I 0取以10-12W/m 2这样公式可以写为：
L I =10lg I+120 （dB ） （2.4） 2.3声功率 可以用“级”来表示，即声功率L W ，为： L W =10lg 0 W W （dB ） （2.5） 这里W 是指声功率的平均值W ，对于空气媒质参考声功率W 0=10-12W ，这样式子可以写为： L W =10lg W +120 （dB ） （2.6） 由声强与声功率的关系I=W/S ，S 为垂直声传播方向的面积，以及空气中 声强级近似的等于声压级，可得： L p =L I =10lg ????? ??01I S W =10lg ????????S I W W W 1000 （2.7） 将W 0=10-12W ，I 0=10-12W/m 2代入，可得： S L L L W I p lg 10-== （dB ） （2.8） 这就是空气中声强级、声压级与声功率级之间的关系，但应用条件必须是自由声场，即除了有源发声外，其它声源的声音和反射声的影响均可以忽略。在自由场和半自由场测量机器噪声声功率的方法的原理就是如此。 声压级、声强级、声功率级的定义中，在后两者对数前面都好似乘以常数10，而声压级对数前面乘以常数为20，这是因为声能量正比于声强和声功率的一次方，而对声压是平方的关系。如声压增加一倍，声压级和声强级增加6分贝，而声强增加一倍，声压级和声强级增加3分贝[5]。 对于一定的声源，其声功率级是不变的，而声压级和声强级都是随着测点的不同而变化的。 专门的研究表明，人耳对于不同频率的声音的主观感觉是不一样的，人耳对于声的响应不单纯是物理上的问题了。为了使人耳对频率的响应与客观声压级联系起来，采用响度级来定量的描述这种关系，它是以1000Hz 纯音作为基准，对听觉正常的人进行大量比较试听的方法来定出声音的响度级的，
汪德昭 [ 返回 ] 汪德昭（1904-1998），江苏省灌云县人，我国著名物理学家、国防水声奠基人、曾任中国科学院资深院士、中国科学院声 学研究所名誉所长、中国声学学会名誉理事长、中国仪器仪表学 会名誉理事长。汪德昭同志1928年北京师范大学物理系毕业后留 校任助教，1934年6月赴法国巴黎大学朗之成实验室任研究生，1940年获法国巴黎大学国家科学博士学位，并留法进行科学研究。1956年底回国，先后担任中科院器材局局长，原子能研究所同位素分离研究室主任，中国科学院电子学研究所副所长兼任七室主任，主管水声方面的科学研究工作。1964年组建声学所并出任首任所长，1957年被增补为中科院学部委员，是《理论物理丛书》副主编，《中国大百科全书·物理学》振动、波、声学分部主编，《中国科技史料》主编，《科技导报》顾问编委。他是法国物理学会和声学学会会员，英国《低频振动与噪声学报》编委，联合国教科文组长前总干事姆博（A.M'bow）教授组织的知名科学家小组成员。欧美同学会常务副理事长、留法同学会理事长。他是全国人大一、二、三、四届代表，五、六届全国政协常委，第七届全国政协委员。 在60多年的科学生涯中，汪德昭同志发表了主要学术论文50多篇，同学生合作出版了第一部《水声学》专著"文化大革命"期间，声学所被撤销，在极端困难条件下，仍积极参与水声物理与水声工程的研究。他满怀发展我国声学事业的强烈责任感，向邓小平同志写报告，建议恢复声学所。根据中共中央发展科学技术的方针，他提出改革方案，使声学所科研工作很快走向正轨，科技成果硕果累累，1979年，声学所受到国务院的嘉奖。"浅海声场"研究进入国际前列，内波是浅海声场的前沿课题，也取得重大成果。 汪德昭同志曾荣获法国声学学会最高奖章、中国物理学会荣誉证书及奖章、巴黎市政府荣誉奖章、国防科工委"献身国防科技事业"荣誉证章、法国总统颁发的军官级荣誉军团勋章等多种重要科学奖励，1968年以来瑞典科学院还曾三次请他推荐诺贝尔奖候选人。 魏荣爵 [ 返回 ] 魏荣爵(1916－ ) 中国声学家。湖南邵阳人。1937年金陵大学物理系毕业。曾任南京三民中学、重庆南开中学教师，重庆 金陵大学理学院讲师。1944年赴美留学，1947年获伊利诺大学 物理学硕士学位。1950年获加利福尼亚大学物理哲学博士学位。 受聘该校物理系研究员。1951年回国后，历任南京大学物理系主任、教授、博士生导师、声学研究所所长。1980年当选为中国科学院数学物理学部委员，1994年改称中科院院士，1998年被国务院授予“中国科学院资深院士”称号。是中国声学会副理事长，美国声学会高级会员，全国政协第五至七届委员。 魏荣爵长期致力于声学的教学和研究。研究领域涉及语言声学、建筑声学、物理声学、分子声学、微粒声学、电声学、非线性声学、微波声学及低温声学等，是中国声学事业的开创者之一。首先开展语言声学研究，在国际上最早提出用现场语噪声方法测量汉语平均频谱，试制成功“可见语言仪”，
一、 名词解释（3分×4＝12分） 自由振动――系统只在弹性力作用下的振动。 临界入射――入射角等于临界角时的声波斜入射。 声功率――单位时间内通过垂直于声传播方向的面积S 的平均声能量。 体应变――在外力作用下，介质体积的变化率。 二、 填空（1分×23＝23分） 1、 对于强迫振动系统而言，当外力频率__等于___系统固有频率时，系统的 振动速度出现__共振现象__。 2、自由振动系统的固有频率 。 3、由于阻尼力的作用，使得衰减振动系统的固有频率__低于__自由振动系统的固有频率。 4、声波在两种流体分界面上产生反射、折射时，应满足边界条件。即分界面两侧介质内声场的__声压_________、____质点振动速度____在分界面上____连续_______。 5、声波在两种流体分界面上产生反射、折射时，声功率的反射系数与折射系数之和___1_____。 6、声波在两种流体分界面上产生临界斜入射的条件是___入射波速度v1小于折射波速度v2__，临界入射角为___12arcsin()v v θ=___。 7、一维情况下理想流体媒质中的三个基本方程分别为__运动方程_、 ____连续性方程__、____物态方程_____。 8、媒质的特性阻抗（即波阻抗）等于_媒质声波速度与媒质密度的乘积。 9、两个同相小球源的指向特性__sin(2)()2sin() k D k θ?=?__。 10、辐射声波波长为λ，间距为l 的n 个同相小球源组成的声柱的主声束的角宽度_2arcsin()nl λ θ=__。
11、均匀各向同性线弹性介质的正应力与正应变的关系___2ii ii T λθμε=+_；切应力与切应变的关系__jj jj T με=_。 12、根据质点振动特点，薄板中的兰姆波可分为___对称型_和____非对称型两类。 13、根据瑞利波和兰姆波的周期方程可知，瑞利波的速度与频率___无关__，是无频散波；而兰姆波相速度与频率___有关__，是__频散波_。 三、 判断并改错（2分×7＝14分） 1、 在无限大介质中传播的波称为瑞利波。错误 沿无限大自由表面传播的波称为瑞利波。 2、 当考虑弹簧质量时，自由振动系统的固有频率增大。错误 当考虑弹簧质量时，自由振动系统的固有频率降低。 3、 对于强迫振动系统而言，当外力频率等于系统固有频率时，系统的振 动位移出现共振现象。 错误 对于强迫振动系统而言，当外力频率等于系统固有频率时，系统的振 动速度出现共振现象。 4、 衰减振动的衰减系数δ与系统所受的阻力系数Rm 、振子质量Mm 成反 比。错误 衰减振动的衰减系数δ与系统所受的阻力系数成正比，与振子质量成反比。 5、 声场对小球源的反作用力与小球源的辐射阻抗、表面质点振动速度的 关系为 r r F Z u =- 正确 6、 声波在两种流体分界面上发生反射、折射时，声强的反射系数与折射 系数之和等于1。 错误 声波在两种流体分界面上发生反射、折射时，声功率的反射系数与折射系数之和等于1。 或 声波在两种流体分界面上发生反射、折射时，声强的反射系数与折射系数之和不一定等于1。
声学基础（南京大学出版社） 习题1 1-1 有一动圈传声器的振膜可当作质点振动系统来对待,其固有频率为f ，质量为m ，求它的弹性系数。 解：由公式m m o M K f π21 =得： 1-2 设有一质量m M 用长为l 的细绳铅直悬挂着，绳子一端固定构成一单摆，如图所示，假设绳子的质量和弹性均可忽略。试问： （1） 当这一质点被拉离平衡位置ξ时，它所受到的恢复平衡的力由何产 生？并应怎样表示？ （2） 当外力去掉后，质点m M 在此力作用下在平衡位置附近产生振动，它 的振动频率应如何表示？ （答：l g f π21 0=，g 为重力加速度） 图 习题1－2 解：（1）如右图所示，对m M 作受力分析：它受重力m M g ，方向竖直向下；受沿 绳方向的拉力T ，这两力的合力F 就是小球摆动时的恢复力，方向沿小球摆动轨迹的切线方向。 设绳子摆动后与竖直方向夹角为θ，则sin l ξθ= 受力分析可得：sin m m F M g M g l ξ θ== （2）外力去掉后(上述拉力去掉后)，小球在F 作用下在平衡位置附近产生摆动，加速度的方向与位移的方向相反。由牛顿定律可知：22d d m F M t ξ=- 则 22d d m m M M g t l ξξ-= 即 22d 0,d g t l ξξ+= ∴ 20g l ω= 即 0f = 这就是小球产生的振动频率。
1-3 有一长为l 的细绳，以张力T 固定在两端，设在位置0x 处，挂着一质量m M ，如图所示，试问： (1) 当质量被垂直拉离平衡位置ξ时，它 所受到的恢复平衡的力由何产生？并应怎样 表示？ (2) 当外力去掉后，质量m M 在此恢复力作用下产生振动，它的振动频率应如何表示？ (3) 当质量置于哪一位置时，振动频率最低？ 解：首先对m M 进行受力分析，见右图， （0x ??ε ，2022020220)()(,x l x l x x -≈+-≈+∴εε 。） 可见质量m M 受力可等效为一个质点振动系统，质量m M M =，弹性系数)(00x l x Tl k -=。 （1）恢复平衡的力由两根绳子拉力的合力产生，大小为ε)(00x l x Tl F -=，方向为竖直向下。 （2）振动频率为m M x l x Tl M K )(00-==ω。 （3）对ω分析可得，当20l x = 时，系统的振动频率最低。 1-4 设有一长为l 的细绳，它以张力T 固定在两端，如图所示。设在绳的0x 位置处悬有一质量为M 的重物。求该系统的固有频率。提示：当悬有M 时，绳子向下产生静位移0ξ以保持力的平衡，并假定M 离平衡位置0ξ的振动ξ位移很小，满足0ξξ<<条件。 图 习题1－4 图 习题1-3
由气体振动而产生。气体的压力产生突变，会产生涡流扰动，从而引起噪声。如空气压缩机、电风扇的噪声。 机械噪声 由固体振动产生。金属板、齿轮、轴承等，在设备运行时受到撞击、摩擦及各种突变机械力的作用，会产生振动，再通过空气传播，形成噪声。 液体流动噪声 液体流动过程中，由于液体内部的摩擦、液体与管壁的摩擦、或者流体的冲击，会引起流体和管壁的振动，并引起噪声。电磁噪声 各种电器设备，由于交变电磁力的作用，引起铁芯和绕组线圈的振动，引起的噪声通常叫做交流声。 燃烧噪声 燃料燃烧时，向周围的空气介质传递了热量，使它的温度和压力产生变化，形成湍流和振动，产生噪声。
声波和声速 声波 质点或物体在弹性媒质中振动，产生机械波向四周传播，就形成声波（声波是纵波）。可听声波的频率为20～20000Hz,高于20KHz 的属超声波，低于20Hz 的属次声波。 点声源附近的声波为球面波，离声源足够远处的声波视为平面波，特殊情况（线声源）可形成柱面波。 声频( f )声速( c )和波长( λ ) λ= c / f 声速与媒质材料和环境有关： 空气中，c =+或t c +=27305.20 (m /s) 在水中声速约为1500 m /s t —摄氏温度 传播方向上单位长度的波长数，等于波长的倒数，即1/λ。有时也规定2π/λ为波数，用符号K 表示。 质点速度 质点因声音通过而引起的相对于整个媒质的振动速度。声波传播不是把质点传走而是把它的振动能量传走。
声场 有声波存在的区域称为声场。声场大致可以分为自由场、扩散场（混响场）、半扩散场（半自由场）。 自由场 在均匀各向同性的媒质中，边界影响可忽略不计的声场称为自由场。在自由场中任何一点，只有直达声，没有反射声。 消声室是人为的自由场，是由吸声材料和吸声结构做成的密闭空间，静谧无风的高空或旷野可近似为自由场。 扩散场 声能量均匀分布，并在各个传播方向作无规则传播的声场，称为扩散场，或混响场。声波在扩散场内呈全反射。 人为设计的混响室是典型的扩散场。无论声源处于混响室内任何位置，室内各处声压接近相等，声能密度处处均匀。 自由场扩散场（混响场）
歌唱音色的声学研究综述 壹、歌唱声学研究综述根据研究内容，本文将既往 研究文章大致分为歌唱声学基础性研究、歌手共振峰、艺术嗓音 声学特征、唱法比较研究、歌唱技巧、声乐教学研究等方面。（壹）、20世纪30—60年代de研究 1、歌手共振峰研究方 面从音乐声学角度研究歌唱，“歌手共振峰”shi壹个非常 重要de参量，目前认为歌手共振峰研究de先驱始于美国巴尔de 摩音乐学院de巴塞洛缪。他于1934年在西洋歌剧唱法发声声谱 上发现壹个异常突出de共振峰。对于男声来说，它de频率在2800—2900Hz；对于女声来说，频率在3200Hz。后来巴塞洛缪将 这壹成果发表于《男声优美歌唱音色de物理定义》中。文章指出 美声良好歌唱de肆个物理特征，其中壹个特征就shi：在500Hz 或500Hz 附近频段存在相当强de泛音（低频共振峰），在 2800Hz附近（2400Hz至3200Hz频段）存在相当强de泛音。所以 巴塞洛缪总结出：“歌唱中最好de鸣响效果，即为男声为2800Hz、女声为3200Hzde共振峰。这也就shi美声唱法所追求de“焦点”、“高位置”、“头腔共鸣”等等说法在物理学、声学上de定义。”自19世纪以来，解释人体发声de问题，壹直建立在亥姆霍兹de 理论基础上：“即人de声带shi在气息de振动下，以弦de方式 振动，并产生壹系列de分音，其中以基音为最强，第壹泛音次之，然后依次类推，越来越弱。人声音色由泛音de数量和组成方式所 决定。”亥姆霍兹de这种解释充分肯定了声带振动发声和共鸣腔de共鸣作用，但shi并没有指出咽、喉管中de空气柱振动也能对音高de产生起作用。故声学及语言学家斯克里普乔1906年在其 著作《实验语音学研究》中试图以管乐器de原理来解释人体发声 问题。他认为“当空气通过声带时，只shi产生壹系列喷气，如 吹口哨时唇de作用壹样，声带本身并不产生基音和泛音。决定人
. . . 噪声污染控制工程实验 实验一 道路交通噪声监测 一、实验目的 交通噪声是城市环境噪声的主要来源，通过实验加深对交通噪声特征的理解，掌握等效连续声级及统计声级的概念，并且希望能够提高以下技能：1、掌握声级计的使用方法。2、熟练地计算等效声级、统计声级、昼夜等效声级、标准偏差。 二、测量仪器 采用积分声级计和噪声频谱分析仪。 三、实验条件 测量时应该无雪、无雨，加防风罩。使传声器膜片保持干净。 四、测点选择 测量点选在两个路口间、交通干线路边的人行道上，传声器距离路中心7.5m 处。测点在路段中间，距两交叉路口应该大于50m ，小于100m 。测点距地面1.2m(无支架手持时距人身体0.5m)，尽量避免周围反射物体（离反射物体最短距离3.5m ）对测试结果的影响。 五、测量方法和步骤 1.准备号复合条件的测试仪器，对传声器进行校正，检查声级计的电池电压是否足够 2.在选定的位置布置测点，并标注在城市街区图中。 3.在规定时间（白天8：00～12：00，14：00～18：00；夜间22：00～05：00），每个测点每隔5s 读取瞬时A 声级，连续读取200个数据，同时记录车的种类和数量及车的总流速（辆/h ）。 4.计算噪声瞬时声级的标准偏差 () ∑=--= n i i L L n 1 2 11σ（dB ）
5.测量后，用校正器对传声器再次进行校正，要求测量前后传声器的灵敏度相差不大于2dB ，否则重新测量。 六、数据处理 将测得的200个A 声级数据，按照从大到小的顺序排列，读出L10(第20个)、L50（第100个)、L90（第180个)的声级值，得到统计声级L10 、L50 、L90,由于交通噪声的声级起伏一般复合正态分布，所以等效声级根据下式近似值计算: 七、测试报告的内容和要求 1.测试路段及环境简图；测试时段；车辆类型、数量及流速； 2.测试数据列表（自己设计表格），标出统计声级L10 、L50 、L90,计算出等效连续声级Leq ，依据该路段所处区域的环境噪声标准（查资料列出），判断交通噪声是否超标。 八、注意事项 声级计属于精密仪器，使用时要格外小心，防止碰撞、跌落,防止潮湿淋雨。 九、思考题 1、你监测的路段是否超过了交通噪声标准? 2、请提出减少交通噪声污染的措施。 实验二 驻波管法测定吸声材料的吸声系数 一、实验目的 1.加深学生对基本理论知识的理解； 2.认识和了解驻波管法测定吸声材料的吸声系数装置的结构和原理； 3.学会测定常用材料吸声系数的方法 二、实验原理 在厅堂音响设计中，特别是在音质设计中，广泛地要选用各种吸声材料及其构 造。对吸声材料的吸声系数测试方法的了解，是每个建筑施工、设计人员应该掌握的。驻波管法是测定材料的吸声系数方法之一，测试的是当声波垂直入射到材料时 ()60 2 901050 L L L L eq -+ ≈
声空化与声致发光研究进展 陈伟中 （近代声学教育部重点实验室，南京大学声学研究所，南京 210093） 1 引言 声波在液体中传播，在时空上产生压力起伏，出现低于静态压力的负压现象。在液体的负压区域，液体中的结构缺陷（空化核）会逐渐成长，形成肉眼可见的微米量级的气泡，这就是声空化（Acoustic cavitation）[1]。声空化强度不仅与驱动声压有关，还与液体中的空化核数量有关。由于表面张力的作用，空化泡的形状几乎是球形的。描述它的动力学模型是著名的Rayleigh气泡动力学方程[2]。空化泡的运动具有明显的非线性特征，具体表现为缓慢的膨胀和急剧的压缩。通常声空化泡的半径压缩比可达102的量级，体积压缩比就是106量级，因此它具有很高的聚能能力。在压缩至最小半径前后，空化泡内部有数千度的高温和数千个大气压的高压。这是超声清洗、超声粉碎、声化学等一系列声空化应用的基础。当继续增大驱动声压，空化泡内部的温度压力继续上升，会导致光的辐射，这就是上世纪30年代发现的声致发光（Sonoluminescence，SL）现象[3]。由于当时的声致发光来自大量随机产生的空化泡的破裂发光，故也称多泡声致发光。多泡声致发光的气泡动力学特征很难测量，直到1992年，Gaitan等人结合声悬浮在充分去气的水中，实现了空间上定位、时间上周期的单一气泡的声致发光，即单泡声致发光[4]，相关的研究才取得重要进展。和多泡声致发光的区别在于，它是一种稳态的振荡发光，不是破裂发光。空间定位的稳态单泡发光为实验测量提供了必要的条件，人们可以测量气泡的动力学演化过程，可以测量光子的各种关联。由于在早期的单泡声致发光实验中，没有测到多泡声致发光中的原子线状光谱，所以，人们认为多泡和单泡声致发光在机理上是不同的[5]。直到2001年，人们在极暗的（Extreme dim）声致发光中开始观察到原子线谱[6]。 最近，人们在抖动的（Moving）声致发光中，也观察到了Ar原子特征谱线[7]。这些实验观察[6,7]开始模糊了两种声致发光的界线。近几年，关于声空化和声致发光领域最热门的、也最具争议的话题可能是声致聚变 (Sonofusion) [8-12]。最早，Moss等人在数值计算中，提出了进一步提升空化泡内部高温高压实现轻核聚变的思想[8]。提升空化泡内部的高温高压有很多途径，人们首先想到的是提高驱动声压和降低驱动频率[8]。由于实验表明，在水溶液里，单泡声致发光的驱动声压范围为1.1~1.5atm，超过1.5atm气泡会破裂，不能保持稳定振荡，因此，人们更多的感兴趣于降低驱动频率。因为在较低频率声波驱动下，会导致气泡有更长膨胀时间和拥有更大的气泡平衡半径[13]。然而，实验并没有支持这个理论。2000年，人们用一个6升的大球形烧瓶做声谐振器，将驱动频率从通常250毫升谐振器的25kHz降到了7.1kHz[14]，期望实现声致发光的实质性提升。结果不但没有观察到显著的提升，反而比通常的声致发光弱了很多，非常勉强地能够观察到了声致发光[14]。人们把失败的原因归咎到水蒸气的存在[14]，因为原先的理论[13]，没有考虑气泡壁内外的物质交换。实际上，人们还可以通过改变驱动超声的波形，实现声致发光的进一步提升。人们利用双频驱动[15]、多频驱动（四频）[16]、脉冲加强驱动[17]和自相似驱动[18]，都实现了光强的有效提升。同时，我们也注意到，这样的提升都是牺牲悬浮的稳定性为代价的，虽然优化后尚能稳定气泡，但稳定性很差，而且提升的幅度有限。在另一方面，人们尝试着优化和改变工作液体和饱和的气体，来提升声致发光的强度。人们发现，当液体（水）中溶解一定的稀有气体，可以显著提升声致发光的强度，尤其当水中溶入重稀有气体氙气之后，亮度提升超过一个量级[19]。同时，也看到了声致发光的同位素效应，即，当用重水（D2O）替代水（H2O）之后，声致发光强度显著降低[20]。 最近，人们用低挥发度的浓硫酸做工作液体，其中溶解适量氩气，观察到比通常水中强2700倍的声致发光和氩原子线谱[7]。实际上，声致发光的亮度（光子数）的提升和内部温
Technical Acoustics 声人工结构 程建春，邹欣晔 （南京大学声学研究所，南京，210093）Artificial Acoustic Structure CHENG Jian-chun, ZOU Xin-ye (1. Institute of Acoustics, Nanjing University, Nanjing 210093) 1引言 20世纪初半导体材料的出现引发了一场轰轰烈烈的电子工业革命，使我们进入了信息时代。半导体的原子呈周期性排列，电子在半导体中运动时，电子与原子的周期势场相互作用使得半导体具有电子禁带，能够操控电子的流动。以硅晶体为代表的半导体带来了一次科学技术革命。随着晶体管、集成电路、大规模集成电路甚至超大规模集成电路的开发运用，半导体技术对人类文明的进步产生了深远的影响。 近二十年来，有关人工结构功能材料的光学特性已受到广泛的关注：1、如果人工结构材料中的介电常数在光波长尺度上周期性变化，光子与周期结构相互作用，会使得该材料具有类似半导体中电子禁带的光子禁带；2、当周期结构中存在(或引入)点缺陷或线缺陷时，禁带内的光波将被局域在点缺陷内或只能沿线缺陷传播；3、当某些频率光波通过相应的亚波长结构时，其透射率远大于小孔经典衍射理论预期的增强透射现象；4、通过人工结构还可以实现介电常数与磁导率同时为负的电磁特异材料，该种材料具有负折射率，反常Doppler效应和反常Cerenkov辐射；5、通过变换光学理论和人工电磁材料设计，可以设计出电磁隐身斗篷，从而可实现完全隐身。总之，光人工结构已成为光电子，信息技术和特异材料领域研究的热点。 类比光人工结构对光子的调控作用，声人工结构也可实现对弹性波的人为调控，并以其丰富的物理内涵和潜在的广阔应用前景，受到各国科研机构的高度关注。本文将介绍主要的声人工结构及其应用。2 声周期结构（声子晶体） 2.1 声子晶体禁带机理 声子晶体是由不同弹性性质的材料周期复合而成的人工结构功能材料，其内部材料组分的弹性常数、质量密度等参数周期性变化。根据声子晶体结构在笛卡尔坐标系中三个正交方向上的周期性，可以将声子晶体分为一维、二维、三维声子晶体，如图1所示。声子晶体同光子晶体有着相似的基本特征：当弹性波频率落在禁带范围内时，弹性波被禁止传播。大量的理论和实验研究都证明了声子晶体中弹性波禁带的存在。图2给出了一个典型的二维声子晶体能带结构图，图中阴影部分即为声禁带。随着材料组分搭配的不同，以及周期结构形式的不同，声子晶体的弹性波禁带特性也就不同。 图1 一维、二维、三维声子晶体示意图 目前弹性波禁带形成的机理比较成熟的有两种：1、由固体物理学的能带理论引出的布拉格散射机理[1]，即周期变化的材料特性与弹性波相互作用，使得某些频率的波在周期结构中没有对应的振动模式，即不能传播，因而产生禁带。禁带的产生与复合介质中组分的填充率、弹性常数、密度、声速，以及晶格结构、尺寸等相关。禁带对应的弹性波波长一般与周期结构尺寸参数(晶格常数) 相当。
波长 声波振动一次所传播的距离，用声波的速度除以声波的频率就可以计算出该频率声波的波长，声波的波长范围为17米至1．7厘米，在室内声学中，波长的计算对于声场的分析有着十分重要的意义，要充分重视波长的作用。例如只有障碍物在尺寸大于一个声波波长的情况下，声波才会正常反射，否则绕射、散射等现象加重，声影区域变小，声学特性截然不同；再比如大于2倍波长的声场称为远场，小于2倍波长的声场称为近场，远场和近场的声场分布和声音传播规律存在很大的差异;此外在较小尺寸的房间内(与波长相比)，低音无法良好再现，这是因为低音的波长较长的缘故，故在一般家庭中，如果听音室容积不足够大，低音效果很难达到理想状态。 很多现场调音师都没有理会到音频与波长的关系，其实这是很重要的：音频及波长与声音的速度是有直接的关系。在海拔空气压力下，21摄氏温度时，声音速度为344m／s，而我接触国内的调音师，他们常用的声音速度是34Om／s，这个是在15摄氏度的温度时声音的速度，但大家最主要记得就是声音的速度会随着空气温度及空气压力而改变的，温度越低，空气里的分子密度就会增高，所以声音的速度就会下降，而如果在高海拔的地方做现场音响，因为空气压力减少，空气内的分子变得稀少，声音速度就会增加。音频及波长与声音的关系是：波长=声音速度／频率；λ=v／f，如果假定音速是344 m／s时，100Hz的音频的波长就是3．44 m，1000hz(即lkHz)的波长就是34．4 cm，而一个20kHz的音频波长为1．7cm。 动态范围 音响设备的最大声压级与可辨最小声压级之差。设备的最大声压级受信号失真、过热或损坏等因素限制，故为系统所能发出的最大不失真声音。声压级的下限取决于环境噪声、热噪声、电噪声等背景条件，故为可以听到的最小声音。动态范围越大，强声音信号就越不会发生过荷失真，就可以保证强声音有足够的震撼力，表现雷电交加等大幅度强烈变化的声音效果时能益发逼真，与此同时，弱信号声音也不会被各种噪声淹没，使纤弱的细节表现得淋漓尽致。一般来说，高保真音响系统的动态范围应该大于90分贝，太小时还原的音乐力度效果不良，感染力不足。在专业音响系统的调整过程中，音响师在调音时要主意以下两方面问题:一是调音台的的输入增益量不要调的过小，否则微弱的声音会被调音台的设
噪声产生原因空气动力噪声 由气体振动而产生。气体的压力产生突变，会产生涡流扰动，从而引起噪声。如空气压缩机、电风扇的噪声。机械噪声 由固体振动产生。金属板、齿轮、轴承等，在设备运行时受到撞击、摩擦及各种突变机械力的作用，会产生振动，再通过空气传播，形成噪声。 液体流动噪声 液体流动过程中，由于液体内部的摩擦、液体与管壁的摩擦、或者流体的冲击，会引起流体和管壁的振动，并引起噪声。 电磁噪声 各种电器设备，由于交变电磁力的作用，引起铁芯和绕组线圈的振动，引起的噪声通常叫做交流声。 燃烧噪声 燃料燃烧时，向周围的空气介质传递了热量，使它的温度和压力产生变化，形成湍流和振动，产生噪声。
声波和声速 声波 质点或物体在弹性媒质中振动，产生机械波向四周传播，就形成声波（声波是纵波）。可听声波的频率为20～20000Hz,高于20KHz 的属超声波，低于20Hz 的属次声波。 点声源附近的声波为球面波，离声源足够远处的声波视为平面波，特殊情况（线声源）可形成柱面波。 声频( f )声速( c )和波长( λ ) λ= c / f 声速与媒质材料和环境有关： 空气中， c =331.6+0.6t 或t c +=27305.20 (m /s) 在水中声速约为1500 m /s t —摄氏温度 传播方向上单位长度的波长数，等于波长的倒数，即1/λ。有时也规定2π/λ为波数，用符号K 表示。 质点速度 质点因声音通过而引起的相对于整个媒质的振动速度。声波传播不是把质点传走而是把它的振动能量传走。
声场 有声波存在的区域称为声场。声场大致可以分为自由场、扩散场（混响场）、半扩散场（半自由场）。 自由场 在均匀各向同性的媒质中，边界影响可忽略不计的声场称为自由场。在自由场中任何一点，只有直达声，没有反射声。 消声室是人为的自由场，是由吸声材料和吸声结构做成的密闭空间，静谧无风的高空或旷野可近似为自由场。扩散场 声能量均匀分布，并在各个传播方向作无规则传播的声场，称为扩散场，或混响场。声波在扩散场内呈全反射。人为设计的混响室是典型的扩散场。无论声源处于混响室内任何位置，室内各处声压接近相等，声能密度处处均匀。 自由场扩散场（混响场）
2015年中日“超声波无损检测新技术研讨会”在上海交通 大学成功召开 2015年6月26日，每年一次的中日“超声波无损检测新技术研讨会”在上海交通大学闵行校区隆重召开。此次会议是由中国无损检测协会、上海交通大学仪器科学与工程系、南昌航空大学无损检测教育部重点实验室、日本探头株式株式会社 (Japan Probe) 、日本超音波材料诊断研究所、日本非破坏检查协会工业会联合承办。经过精心的宣传筹备，此次会议吸引了包括上海交通大学仪器科学与工程系、南昌航空大学教育部无损检测重点实验室、南京大学声学研究所、上海同济大学检测站、华东理工大学、中国科学院声学研究所、中船726所、苏州无损检测协会等多家单位100余人参加了会议。 此次会议由上海交通大学陈景博士担任主持，上海交通大学仪器科学与工程系韩韬教授致欢迎词，中国无损检测协会副理事长、南昌航空大学无损检测教育部重点实验室卢超教授致开幕词，他表示无损检测技术在现代科技发展中已处于越来越重要的地位，科技的发展不仅离不开无损检测技术，还需要我们不断地开展无损检测与评价的基础理论研究和新技术的开发与应用。 常俊杰研究员代表日本探头株式会社也发表了致词。南昌航空大学卢超教授、日本探头株式会社常俊杰研究员、华东理工大学项延训副教授、中国科学院上海硅酸盐研究所罗豪甦研究员、南京大学声学研究所吴浩东教授等多名无损检测领域著名研究人员分别介绍了GLARE层板的空气耦合兰姆波成像检测、合成孔径超声相控阵检测技术、非接触空气耦合超声传感器、弛豫铁电单晶基压电换能器及其在无损检测中的应用、用于超声无损检测的宽带换能器制作、材料损伤的非线性超Lamb波检测及评价等超声无损检测多个相关领域的研究及应用进展。 日本探头株式会社常俊杰研究员对空气耦合超声检测原理进行了详细的概述，介绍了如何实现空气耦合超声检测的关键技术，经过三重放大设备的处理，使得最终得到的检测数据十分的精确，成像图形也十分清晰，而且空气耦合超声检测技术在复合材料、金属材料，低温、高温、表面检测条件不良的材料等方面有显著的检测效果。 同时还介绍了孔径合成技术相控阵超声波3D点焊检测仪Matrixeye?EX，讲述了绍了孔径合成技术相控阵超声波3D点焊检测仪的基本原理，简要的介绍了绍了孔径合成技术相控阵超声波3D点焊检测仪的成像技术的实现以及仪器的使用性能和使用领域。绍了孔径合成技术相控阵超声波3D点焊检测仪在点焊检测上得到了很好的应用。 最后，常俊杰研究员还为大家解说合成孔径技术的简易研究方法，其中最吸引大家的的是宽频柔性相控阵探头，宽频柔性相控阵探头已经在航空航天、汽车、家电、基建设备、道路、桥梁、医疗等多方面得到有效利用，并受到好评。而且由于可自由弯曲、自由挠曲、所以柔性相控阵探头可对应各种不规则形状的试件进行检测。 会议报告结束后，日本探头株式会社为来宾展示了的日本探头株式会社研制的宽频柔性超声波相控阵探头、空耦水耦两用超声波成像系统，并为来宾测试了复合材料、粘接材料、及锂离子电池等试样。 在整个研讨会过程中，与会单位的科技工作者和学生对超声无损检测新技术表现出极大的热情和兴趣，会上交流十分活跃，亲自参与柔性探头和非接触空耦超声检测仪的测试中，大家积极讨论，交流自己的经验与心得，达到了研究、交流、讨论的目的，并纷纷表示受益匪浅，对本次研讨会给予了肯定和认同。并纷纷表示明年还继续参加交流。 关键词：无损检测，超声相控阵，空耦，点焊，柔性探头，南昌航空大学，日本探头株式会社
声学基础_声级 1. 对数标度 ? 日常生活中声音强度的变化范围特别宽。 ? 以声功率为例，人们正常说话的声功率约为5 10W -，而强力火箭发射时的声功 率高达9 10W ，两者相差1410数量级。 ? 以声压为例，对于1000Hz 纯音，人耳刚好能够感觉到的声压为5 210Pa -?，称 为“听阈声压”，人耳难以忍受的声压为20Pa ，称为“痛阈声压”，两者相 差6 10数量级。 ? 同时，人耳对声音的感觉不是与强度的绝对值成线性关系，而是与其对数近似成正比。 ? 基于此，在声学中普通使用对数标度。 2. 分贝 ? 由于对数的宗量是无量纲的，因此用对数标度时必须先选定基准量（或称参考量）， 然后对被量度量与基准量的比值求对数，这个对数值被称为被量度量的“级”。 ? 如果所取的对数是以10为底，则级的单位为贝尔(B)。 ? 由于贝尔的单位过大，故常将1贝尔分为10档，每一档的单位称为分贝(decibel ，简 写为dB)。 ? 如果所取的对数是以 2.71828e =为底，则级的单位为奈培(Np)。 ? 奈培与分贝的关系是： 18.686Np dB = Tips ： ? “分”(deci-) 指十分之一，个位是“贝”或“贝尔”（bel ，是为了纪念发明家亚历山 大·格拉汉姆·贝尔，而以其名字进行命名的）。 ? 在实际应用中，我们更多的使用“分贝”这个单位。 3. 声压级 ? 声压级常用p L 来表示，定义为： 220010lg 20lg p p p L p p == 式中， p —被量度的声压的有效值； 0p —基准声压 ? 在空气中规定020p Pa μ= ，即为人耳刚好能够感觉到的声压。 Tips ：
物理学院声学专业研究生培养方案 一、培养目标 培养国家建设需要，热爱祖国，思想先进，情操高尚，品德优良，具备严谨科学态度和优良学风，适应面向二十一世纪的德、智、体全面发展的声科学与工程技术专业人才。 1、硕士研究生： 掌握声学的基本理论和实验技能，了解本领域的研究动态，具有一定的分析问题和解决问题的能力，学位论文应具有一定的创新性或应用前景。 2博士研究生： 具有深厚的数理基础，掌握声学的基本理论和实验技术以及与本学科相邻或相关学科的知识，具有分析问题和独立解决问题的能力。能进行国际上声学领域前沿性课题或有重要应用前景的课题研究，并具有一定的创造性，掌握1－2门外语，能熟练阅读文献并撰写论文。 二、研究方向 1、非线性声学 振动和声激励下的液体和颗粒物质中的孤立子与混沌；孤立波的传播特性及其和缺陷的相互作用；非线性系统中的反常热传导；复杂信号与非线性信号处理的理论与方法、及其在声学中的应用。 2、强声学 强声和功率超声：液体中的声空化、声致发光 3、光声科学 激光激发超声的理论及新型超声换能技术，脉冲光声瞬态效应对超快物理、化学及生物过程的研究，光声效应新技术及其在材料表征、工业检测和医学诊断中的应用研究，光声热波成象及其逆问题。超声源器件的理论、结构和应用研究。 4、超声学 声人工结构；超声信号处理；声表面波传播理论及器件；声电荷器件及在通讯、雷达和电子对抗中的应用；多相媒质中声传播理论；生物媒质及固体中超声检测和声测井新技术；新型低衰减透声材料、新型超声换能器、声传感、声化学等。 5、生物医学超声 流体、生物媒质、固体及界面的非线性特性；非线性声参量组织定征与成像；超声造影剂的非线性特性及其在医学超声领域的应用；声孔效应机理及在生物化学领域中的应用；固体中的非经典非线性效应及在无损检测中的应用；高强度聚焦超声的非线性特性；微泡及细胞的声学操控。 6、环境声学 噪声与振动的有源控制；环境噪声评价与监测。 7、电声学 扬声器等电声器件和系统的振动分析、计算机辅助设计和测试以及电声参数测量新技术。
振动论坛声学基础总结 1 声学基础方面推荐书籍 南京大学出版社版，杜功焕编《声学基础》； 海洋出版社版，周新祥编《噪声控制与应用实例》； 机械工业出版社版，马大猷编《噪声与振动控制工程手册》。 2 声音强弱与高低的区别 对纯音来讲，强弱取决于声压的幅值，高低取决于频率； 对混音来讲，强弱与高低相互影响，取决于频谱和人耳听觉特性。强弱用计权声级、响度来衡量，高低用尖锐度来衡量。 3 低中高频的一般划分 500Hz 以下叫低频；500-2000Hz 叫中频；2000Hz 以上叫高频。 4 听阈声压和痛阈声压 听阈声压20Pa μ（0dB ），痛阈声压20（120dB ）。 Pa 5 声级计算及其关系 声压级：??? ?? ???=0lg 20P P L P ，； a P P 5 0102?×= 声强级：??? ?? ???=0 lg 10I I L I ，； 212010??=Wm I 声功率级：??? ?? ???=0lg 10W W L W ，； W W 12 010?= 声强级与声压级的关系（自由场）：??? ? ? ???+=00400lg 10c L L P I ρ； 声功率级与声强级的关系（自由场或者半自由场，球面波）：S L L I W lg 10+=。 6 声压级的加减 两个相同声压级相加，总声压级＝单个声压级＋3dB ； N 个相同声压级相加，总声压级＝单个声压级＋； )lg(10N 两个不同声压级相加，如，则11P P L L >() [] 211.01101lg 10P P L L P P L L ??++＝总； N 个不同声压级相加，()∑Pi L P L 1.010 lg 10＝ 总。
习题1 1-1 有一动圈传声器的振膜可当作质点振动系统来对待,其固有频率为f ，质量为m ，求它的弹性系数。 解：由公式m m o M K f π 21= 得： m f K m 2)2(π= 1-2 设有一质量m M 用长为l 的细绳铅直悬挂着，绳子一端固定构成一单摆，如图所示，假设绳子的质量和弹性均可忽略。试问： （1） 当这一质点被拉离平衡位置ξ时，它所受到的恢复平衡的力由何产生？并应怎样表示？ （2） 当外力去掉后，质点m M 在此力作用下在平衡位置附近产生振动，它的振动频率应如何表示？ （答：l g f π21 0= ，g 为重力加速度） 图 习题1－2 解：（1）如右图所示，对m M 作受力分析：它受重力m M g ，方向竖直向下；受沿绳方向的拉力T ，这两 力的合力F 就是小球摆动时的恢复力，方向沿小球摆动轨迹的切线方向。 设绳子摆动后与竖直方向夹角为θ，则sin l ξ θ= 受力分析可得：sin m m F M g M g l ξ θ== （2）外力去掉后(上述拉力去掉后)，小球在F 作用下在平衡位置附近产生摆动，加速度的方向与位 移的方向相反。由牛顿定律可知：22d d m F M t ξ =- 则 22d d m m M M g t l ξξ-= 即 22d 0,d g t l ξξ+=
∴ 2 0g l ω= 即 01 ,2πg f l = 这就是小球产生的振动频率。 1-3 有一长为l 的细绳，以张力T 固定在两端，设在位置0x 处，挂着一质量m M ，如图所示，试问： (1) 当质量被垂直拉离平衡位置ξ时，它所受到的恢复平衡的 力由何产生？并应怎样表示？ (2) 当外力去掉后，质量m M 在此恢复力作用下产生振动，它 的振动频率应如何表示？ (3) 当质量置于哪一位置时，振动频率最低？ 解：首先对m M 进行受力分析，见右图， 0)(2 2 02 2 00=+-+--=ε ε x x T x l x l T F x （0x ??ε ，2 022020220)()(,x l x l x x -≈+-≈+∴εε 。） 2 2 2 2 0)(ε ε ε ε +++-=x T x l T F y x T x l T ε ε +-≈ ε) (00x l x Tl -= 可见质量m M 受力可等效为一个质点振动系统，质量m M M =，弹性系数) (00x l x Tl k -= 。 （1）恢复平衡的力由两根绳子拉力的合力产生，大小为ε) (00x l x Tl F -= ，方向为竖直向下。 （2）振动频率为m M x l x Tl M K )(00-== ω。 （3）对ω分析可得，当2 0l x = 时，系统的振动频率最低。 1-4 设有一长为l 的细绳，它以张力T 固定在两端，如图所示。设在绳的0x 位置处悬有一质量为M 的重物。求该系统的固有频率。提示：当悬有M 时，绳子向下产生静位移0ξ以保持力的平衡，并假定M 离平衡位置0ξ的振动ξ位移很小，满足0ξξ<<条件。 图 习题1-3
噪声产生原因 空气动力噪声 由气体振动而产生。气体的压力产生突变，会产生涡流扰动，从而引起噪声。如空气压缩机、电风扇的噪声。 机械噪声 由固体振动产生。金属板、齿轮、轴承等，在设备运行时受到撞击、摩擦及各种突变机械力的作用，会产生振动，再通过空气传播，形成噪声。 液体流动噪声 液体流动过程中，由于液体内部的摩擦、液体与管壁的摩擦、或者流体的冲击，会引起流体和管壁的振动，并引起噪声。电磁噪声 各种电器设备，由于交变电磁力的作用，引起铁芯和绕组线圈的振动，引起的噪声通常叫做交流声。 燃烧噪声 燃料燃烧时，向周围的空气介质传递了热量，使它的温度和压力产生变化，形成湍流和振动，产生噪声。． 声波和声速声波质点或物体在弹性媒质中振动，产生机械波向四周传播，Hz,20000。可听声波的频率为20～就形成声波（声波是纵波）的属次声波。的属超声波，低于20Hz高于20KHz点声源附近的声波为球面波，离声源足够远处的声波视为平面波，特殊情况（线声源）可形成柱面波。 c λ
f )和波长( 声频( )声速( )fλ= c /声速与媒质材料和环境有关：c?20.05273?t c (m/空气中，=+或s) t—摄氏温度 /ms在水中声速约为1500λ。1/等于波长的倒数，即传播方向上单位长度的波长数，πλK表示。为波数，用符号 2有时也规定/质点速度 质点因声音通过而引起的相对于整个媒质的振动速度。声 波传播不是把质点传走而是把它的振动能量传走。． 声场 有声波存在的区域称为声场。声场大致可以分为自由场、扩散场（混响场）、半扩散场（半自由场）。 自由场在均匀各向同性的媒质中，边界影响可忽略不计的声场称为自由场。在自由场中任何一点，只有直达声，没有反射声。 消声室是人为的自由场，是由吸声材料和吸声结构做成的密闭空间，静谧无风的高空或旷野可近似为自由场。 扩散场 声能量均匀分布，并在各个传播方向作无规则传播的声场，称为扩散场，或混响场。声波在扩散场内呈全反射。 人为设计的混响室是典型的扩散场。无论声源处于混响室内任何位置，室内各处声压接近相等，声能密度处处均匀。