[科普中国]-球面波

概念

设想在无限均匀媒质中有一球状声源，其表面迅速地膨胀和收缩，且表面上的各点作同相位同振幅的振动，向周围媒质辐射的波就是球面波。这种声波是球对称的，即声压的大小仅与离球心的距离有关。任何形状的声源，只要它的尺寸比波长小的多得都可以看作点声源，辐射球面波。对于球面波，在离声源任意距离上的声强与距离平方成反比，声压与距离成反比，声压与振动速度之间的相位差与球面波的半径对波长的比值成反比。辐射球面波时媒质的声阻抗率是复数，它具有纯阻和纯抗两部分，并与半径和波长有关。当球面波半径很大时，纯抗分量可以忽略。1

表示波前或波面为球面的波场。最简单的球面波是球对称的波场，可以表示为u(r，t)=1/rf(r- ct)，式中c为波速; t为时间; r为至球心的距离 在传播过程中，它的波形保持不变，波幅与到球心 的距离成反比而衰减。对弹性体内球腔的内壁施力 可以产生球面波。当所施之力使球腔沿径向均匀伸 缩时，所生成的是具有纵波形式的无旋球面波; 当 所施之力使球腔绕轴作刚性转动时，所生成的是具 有横波形式的等容球面波。2

声波机械振动在弹性媒质中的传播。在固体中机械振动可以以纵波形式传播，也可以以横波形式传播，但是，纵波的波速大于横波的波速。例如，钢中纵波的波速是5 170米/秒，而横波的波速为2 550米/秒，在液体或空气中，由于它们具有流动性，没有切变弹性，所以，机械振动只能以纵波形式传播。声波传入人耳，引起鼓膜振动，进一步引起一系列听觉器官振动，最后刺激听觉神经而产生声音的感觉。但频率高于20 000赫兹的声波(超声波)和低于20赫兹的声波(次声波)一般不能引起人的声感，只有频率在两者之间的声波才能听到。声波传播到两种媒质分界面时，一部分将反射回第一种媒质， 另一部分发生折射进入第二种媒质。反射回来的声波，如果同原发声传入耳的时间间隔约在1/20秒以上，强度又相差不多，人耳能够清楚地听到，这就是回声;如果时间间隔在1/20秒以内，人耳分辨不出原发声和回声，这时反射回来的声波有使声音加强的作用， 所以室内听声音比广场响亮。3

波阵面波阵面亦称“波 面”。波在传播过程中，介质内振动相位相同的点联成的同相位面。波的传播可视为波阵面在介质中的运 动。在各向同性的均匀介质中，波速大小与方向无关，点波源形成的 波面(如声波)是以波源为中心的同 心球面。地震学中，波阵面是与地 震射线垂直的几何面，它代表某时 刻地震波能量到达的空间位置。波 阵面的形状决定于介质的性质及波的类型。在各向同性的介质中，地 震射线是直线，波阵面是球面;在非 均匀介质中，地震射线是曲线，波阵 面是不规则的曲面。根据波阵面的形状，一般可以把波分成球面波、柱面波和平面波。

自由场均匀的各向同性的非流动媒质中，边界影响可以不计的声场。自由声场条件中要求媒质中各点的化学成分、温度、静压力、密度、声速、衰减等物理、化学性质保持不变，媒质的边界无限远，或采取消声措施，消除边界反射;亦可用脉冲技术，在测量中满足等效自由场条件。自由场条件是许多声学测量项目的必要条件。4

声场存在声压的空间。有时也指声压的空间分布与时间变化。根据声的波动理论，己知声场和介质特性，即可求出质点的振动速度、声强等物理量。自由声场 (简称“自由场”)是指无限大介质或不存在界面反射的有限介质中的声场。为便于描述各种特定情况下的声场，采用相应的与声场有关的术语，例如近场、远场、散射场、噪声场等。