超聲波的吸收特性

超聲波在介質(zhì)中傳播時被吸收的情況與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。因此，對超聲吸收的研究不僅對了解超聲在介質(zhì)中傳播情況是必要的，而且也是探索介質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)的一種方法。
（1）液體介質(zhì)中的聲吸收
根據(jù)經(jīng)典理論，液體介質(zhì)中的聲吸收主要是由于介質(zhì)的內(nèi)摩擦或黏滯性引起的。根據(jù)斯托克斯(Stokes)的推導(dǎo)，內(nèi)摩擦引起的吸收系數(shù)等于

該等式中，η為介質(zhì)的黏滯系數(shù)；p為介質(zhì)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(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)，由于熱傳導(dǎo)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(dǎo)出由于熱傳導(dǎo)引起的聲吸收為

該等式中，K為介質(zhì)的熱導(dǎo)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(shù)為

（1-3）

由此式看出，吸收系數(shù)α與聲波頻率的平方成正比。
按照式（1-3）計算的結(jié)果與實際測量結(jié)果有一些差異，這是因為聲波通過液體時，液體依次發(fā)生的狀態(tài)是不平衡的，而且狀態(tài)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(zhǔn)確計算聲吸收系數(shù)時，必須仔細(xì)考慮以上諸因素。
（2）氣體介質(zhì)中的聲吸收
氣體介質(zhì)中的聲吸收，經(jīng)典理論給出了與液體介質(zhì)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(shù)總是大于按經(jīng)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(nèi)部過程，即存在著分子聲吸收。
（3）固體介質(zhì)中的聲吸收
在固體介質(zhì)中，聲吸收在很大程度上取決于固體的實際結(jié)構(gòu)。在均勻的介質(zhì)中，聲的吸收基本上是由內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)所決定，通常是很小的。然而，當(dāng)聲波在多晶體固體介質(zhì)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(guān)系決定。在高頻，當(dāng)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(shù)與頻率的平方成正比。假如波長與晶粒大小是同數(shù)量級的，則聲在各個晶體之間便出現(xiàn)散射，并且聲吸收主要由漫散射決定。當(dāng)λd時， 聲波一方面被比波長小的質(zhì)點所散射，同時吸收由熱傳導(dǎo)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(yīng)在超聲焊接等方面有實際意義。

審核編輯 黃昊宇