声波在固体中是怎样传播的?

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摘要

简要分析声波在固体中是怎样传播的,介绍纵波与横波、能量集中在表面的波、弯曲波等相关知识。

我们平时听到的最多是空气中声波的传播。水中探测遇到的是水中的声波。但在超声探伤,噪声与振动有时会遇到声波在固体里传播的情况。水和气都“无形”,也就是没有固定的形状。水装在杯子里就和杯子里面的形状一样。这是因为它们没有切变弹性,可以随便改变形状。如果水冻成冰,它就有一定形状,要改变它的形状就要用力,这是切变弹性。这就是流体与固体的不同之处。

声波在固体中是怎样传播的?

20℃时声音在某些物质中的传播速度

纵波与横波

固体有弹性,把它压缩了,它有恢复原来大小的力。它也有质量。从这个角度分析,在固体中也有疏密相间的波。固体质点振动的方向与波传播的方向一致,这叫纵波。此外,固体中还可以有横波传播。这时固体质点的运动与波传播方向垂直,恢复力是在一层固体与另一层固体产生切变时产生的切变应力。这种波叫切变波。由于质点运动方向与波传播方向垂直,所以也叫横波。固体中纵波速度为c=√[k+4/3μ]/ρ,其中k为全方向压缩模量,ρ 为介质密度,μ 为切变模量。切变波的速度为 c= √μ/ρ。从这两个式子可以看出切变波的速度要比纵波小。例如,铝的纵波声速是 6240 米/秒,切变波(横波)声速大体上是纵波声速的一半左右。

能量集中在表面的波

在固体与真空、气体、液体交界的地方,出现表面波,其幅度在表面最大,愈深入固体幅度愈小,幅度随距离表面的距离呈指数减小。波传播的方向是沿固体表面传播。在固体与真空交界的面上传播的表面波称为瑞利波,这是声学大师瑞利分析和发现的。瑞利波传播时质点做椭圆形运动。椭圆的长轴与波传播方向垂直,短轴与传播方向一致。如果固体表面上覆盖流体时,表面波(现在是界面波)就会一边前进,一面向流体中泄漏。在两个固体交界面上传播的一种表面波称为斯顿莱波。在弹性半空间与一个液态层交界的地方产生的表面波称为乐甫波。乐甫波纯粹是切变波(横波),质点运动方向与波传播方向垂直。这些表面波的共同特点就是能量聚集在固体表面或界面。

弯曲波

弹性薄板中可以传播整体上下振动的弯曲波,这种波在隔声薄板声辐射中起主要作用。

上面说的是各向同性的固体,就是说它的物理性质在哪个方向看都是一样的。固体中还有一部分是晶体,晶体有许多晶轴,各个方向的性质不一样,叫各向异性。各向异性的固体中声传播就更为复杂,我们这里不再讨论。

文章来源:21世纪学科发展丛书·声学 神秘的声音世界

  • 本文由 发表于 2023年11月6日
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