[科普中国]-声辐射压力

概述

流体媒质中传播的声波，入射到一个障碍物上，在其上所产生的前向平均压力。其方向与声传播的方向相同。与交变的声压不同，它是由流体媒质的非线性引起的。用数学方程描述声波在流体媒质中的传播规律时，常认为声压不大，因而略去方程中的二阶小量。正是这些二阶小量构成声辐射压力。

声辐射压力是一种触觉反馈系统，与人耳听不见的声音相作用(通常是超声波)。声辐射压力可由产生特定声波的扬声器构成，这种声波会在特定位置产生压力密度的差异。简单来说，超声波在压力之下会出现形状的改变，并模拟出一种虚构的形状和力度,而这种压力就被称为声辐射压力。声辐射压力与声能量密度成正比。

一个很好的类比是激光/气泡技术(使用激光在玻璃上制作不同的气泡形状)。一束激光的热度不足以影响玻璃，但当两个光束相交的时候，它们的力量就会叠加并影响玻璃，从而制作出气泡图案。交叉的超声波束也如此。在结合诸如英特尔RealSense这样的手部追踪技术后，声辐射压力光束可以创造出一些阻力或纹理的错觉。

声辐射压力(ARP)可能是触觉反馈中的重大突破。虚拟现实应用可以利用该系统的潜在优点来提供其他其他触觉套装或控制器所不能实现的沉浸感水平。这是朝着完全沉浸式VR所迈出的巨大一步。

这项技术最早见于2009年的日本。东京大学的一组研究人员测试了一项“Airborne Ultrasound Tactile Display”(悬空超声波触觉显示技术)的新技术，通过超声波来产生某种可触摸的全息图。

其中一名研究人员表示:“虽然我们可以‘看到’全息图像，就好像它们真的漂浮在我们面前，但我们不能‘触摸’他们，因为它们只是光线。该项目为3D自由空间中的悬浮图像添加了触觉反馈。触觉这种感觉需要与物体相接触才能形成，但在工作空间中包括一个刺激器会稀释全息图像的外观。而悬空超声触觉显示器可以在用户的手上产生触觉，同时不会有任何直接的接触,也不会稀释全息投影的质量。”

新技术会使用超声波向用户传输触觉。用户无需接触就能感觉到按钮，或是在与虚拟物体交互时获得触觉反馈。YiVian多次报道的Ultrahaptics开发了超声波触觉技术，可让你在半空中就能触摸到物体，无需佩戴任何设备或触摸任何东西。1

历史20世纪50年代以前，人们仅限于研究平面大振幅声波在非线性声学无吸收流体中的传播。随着大功率超声、高速喷气发动机等强声源的不断出现和日益广泛地应用，自50年代以来，非线性声学获得了很大的进展。大量的研究工作包括:耗散流体中的传播,非平面波的传播（但主要仍然是一维的），驻波以及耗散的作用等。有关折射问题和二维反射问题已有所触及，但衍射问题刚有所探讨。声空化（见超声学）现象的研究也已经开始。

麦克斯韦在计算光压时，错误地认为电磁波中电场的方向就是金属板中电流的方向。事实上，金属板中电流的方向半个周期内加速运动，半个周期内减速运动，半个周期内电场方向与电流方向相反，因此平均洛伦磁力应该是0，光压应该是0。电场力平行于金属板表面，金属板内的电子运动方向也平行于板面，电场力不会产生压力，该运动的电子受到磁场的作用力——洛伦磁（兹）力，与金属板面垂直，但是半个周期与电磁波传播方向相同，另外半个周期与电磁波传播方向相反。平均压力是0。2

瑞利辐射压力瑞利考虑声波在气体中传播是一个绝热过程，导出单位面积上的声辐射压力为

式中 为气体的比热容比，D为障碍物前的声能密度。这样求得的声辐射压力常称为瑞利辐射压力。

朗之万辐射压力L.-N.布里渊和 P.朗之万考虑了声波运动方程中的对流项，导出单位面积上的声辐射压力与障碍物前声能密度的关系为

常称为朗之万辐射压力。瑞利辐射压力适用于无限流体媒质内的平面波情况，而郎之万辐射压力适用于无限流体媒质内的有限束宽平面波情况，因而两者并不相同。在实际测量情况下，一般测得的是朗之万辐射压力。

上面这个公式适用于障碍物对入射声全部吸收的情况。如为全反射，则该公式应为

声辐射压力很小，可以从以下两例看出：

①水中声压幅值为5个大气压（1个大气压等于101325帕）的强声所产生的声辐射压力只不过万分之几大气压；

②空气中140分贝的强声所产生的辐射压力只有0.3帕。

在声学测量中，声辐射压力常被用来测量声强、声功率等。

辐射压力是波的一个普遍物理现象，光波亦有光的辐射压力（见光压）3

声辐射压力的潜在应用（1）汽车：手势识别控制将有助于司机摆脱物理按钮和复杂操作界面的限制；

（2）家用电器：免触摸控制将让你通过简单的挥动手部就能管理所有的厨房电器、控制你的冰箱或降低烤炉的温度，所有这一切都无需触摸任何东西；

（3）游戏和计算：人之本性告诉我们,当小孩子希望得到某样东西或希望进行探索时，他们会首先伸出手去,尝试去触摸和感受。无论是游戏、社交、开发、观看成人娱乐视频或学习，为了体验完整的3D世界，我们都需要一种身临其境的3D感觉；

（4）消费电子：联网家庭需要一个连接界面。你可以通过挥动手部来控制照明、电视、音乐和恒温器等等，或者只需在空中轻轻一点即可；

（5）对于无限可用的声辐射压力而言，这只是众多潜在应用的其中一部分。特别是虚拟现实，超声波触觉技术可以成为重要的颠覆力量。想象一下，这种技术与VR游戏或VR成人娱乐产业相结合的情形，其交互性将会大为提升。我们已经等不及要看看配备这种神奇新技术的未来。