[科普中国]-声吸收

当声波通过媒质或射到媒质表面上时声能减少的过程。这主要是由于媒质的黏滞性、热传导性和分子弛豫过程，使有规的声运动能量不可逆地转变为无规地热运动能量。1

简介引起介质对声吸收的原因很多。静止和均匀流体介质中主要原因有介质的黏滞性、热传导以及介质的微观动力学过程中引起的弛豫效应等。非纯介质（如大气中含有灰尘粒子、液态雾滴等）中，在声波作用下这些悬浮体对介质作相对运动而产生的摩擦损耗，以及在水雾中弛豫效应等也是引起声吸收的原因。2
由于声吸收的客观存在，在研究声学现象时不能不引起普遍关注。例如对大型厅堂中频率在1000赫以上的声音，空气的声吸收常会成为决定室内混响时间的重要因素。海水中含有一定的化学物质，频散吸收要显著高于纯水。地震、火山爆发以及核爆炸时发出的声音，含有远低于20赫的次声成分，可持续绕地球转几个圈。可见声波的吸收既决定于介质的一些特性，也与声波的频率有关。从声吸收规律来探索（物质）介质的特性和结构，已发展成声学分支——分子声学，它通过宏观的声吸收以及声频散来研究分子以至原子等微观结构与各种频率声波的相互作用。当然，声吸收的研究范围还要广泛得多。23

发展简史G.斯托克斯在1845年就导得由黏性引起的流体中声吸收公式。其吸收系数除了与黏滞系数成正比外，还与声波的频率二次方成正比。这里的黏滞系数仅指当时可由流体力学方法确定的切变黏滞系数。G.基尔霍夫1868年又提出了由热传导引起的声吸收，这一部分的吸收系数除了与介质的热导率成正比外，还与声波的频率成二次方关系。后人把这两部分吸收加起来称之为经典吸收。以后，特别自20世纪20年代开始采用比较先进的压电效应技术来产生并接收声波起，迅速蓬勃地展开了可以在很大范围（包括在各种气体、液体乃至固体）内测量声吸收的研究。大量的测量发现，除了单原子气体（如氩气等）外，几乎所有的气体都与经典理论有偏离。1920年爱因斯坦提出了从声频散来确定缔合气体的反应率，从而促进了对气体分子热弛豫吸收理论的广泛研究。进入30年代后，这种弛豫吸收机制延伸到液体的研究。此后数十年来，流体中声吸收的实验和理论研究不仅扩展了频率（次声到特超声）范围，而且涉及广泛的介质，包括各种化学和生物介质以至含水雾的大气等。3

固体中吸收的研究开展得稍迟一些，20世纪30年代末起才出现这方面的测量。从宏观看来，横波或剪切波只有在黏弹性液体（如聚合物沥青等）中必须考虑，而在一般流体中因衰减很快，可忽略不计。但在固体中纵波和横波二类体波并存，并且涉及晶轴的取向等，吸收机制较为复杂。目前已成为声学和固体物理学研究的领域。3

经典吸收主要由黏滞和热传导两部分吸收组成。2

黏滞吸收声波通过介质时介质质点因相对运动而产生内摩擦，即黏滞作用，导致声的吸收。对于流体，黏滞作用由切变黏滞系数以及容变黏滞系数二部分来描述。前者是由介质的剪切形变产生的，后者宏观上是由体积变化引起的 。已经证明，大量测试中表现出来的超过经典吸收的部分是容变黏滞系数的作用，这一系数与微观过程的弛豫性质有关，不是常数，而是声波频率的函数。2

热传导吸收声波传播过程基本上是绝热的，介质中有声波通过时，产生压缩和膨胀的交替变化，压缩区温度升高，膨胀区温度降低。这时相邻的压缩和膨胀区之间形成温度梯度，引起热传导。这个过程是不可逆的，因此产生声能的耗散，称为热传导吸收。几乎所有气体，热传导吸收和仅与切变粘滞有关的粘滞吸收具有相同的数量级，但前者总比后者低些。液体热传导吸收一般较小，常可忽略；但液态金属如水银则正好相反，热传导吸收要比黏滞吸收的作用更大。23

弛豫吸收弛豫吸收由介质分子的微观内过程引起，主要有下列机制。2

分子弛豫吸收分子热弛豫吸收简称分子弛豫吸收。一般发生于多原子分子的气体中。实质是分子的相互碰撞，使外自由度（指分子平动自由度）和内自由度（分子的振动和转动自由度）之间发生能量的重新分配。介质静止时可用压强 、温度、密度等物理参量描述这一平衡状态。声波通过时介质发生压缩和膨胀过程，介质的物理参量及其相应的平衡状态也将随声波过程而发生简谐变化。而任何状态的变化都伴有内外自由度能量的重新分配，并向一个具有新的平衡能量分配状态过渡。但建立一个新的平衡分配需要一段有限的时间。这样的过程称为弛豫过程，建立新的平衡状态所需要的时间称为弛豫时间。这种过程伴随着热力学熵的增加。由此导致有规的声能向无规的热转化 ，即声波的弛豫吸收。2

化学弛豫声波通过会产生可逆化学反应的介质时，也会发生与上述热弛豫类似的化学反应平衡的破坏，并产生弛豫过程。这种过程同样也导致声的吸收。可出现这种化学反应弛豫的介质有分子发生解离和缔合作用的气体、各种能起化学反应的混合物以及电解质溶液等。研究弛豫过程对物质的声学性质的影响正是从化学弛豫开始的。23

结构弛豫声波通过一般液体时，由于分子间互相作用很强，热弛豫时间很短，声吸收主要由于液体分子的体积发生变化产生，这种发生介质微观结构的重建过程的弛豫称为结构弛豫。纯水具有结构弛豫，它对吸收贡献较大。2

多重弛豫一种介质可存在一个以上的弛豫过程。如电解质水溶液，可同时既存在纯水的结构弛豫，也存在电解质的解离－缔合化学反应弛豫。如果这两种弛豫过程的弛豫时间相差很大，则实验上可把它们明显分别出来。实验发现 ，还有一些液体（如黏弹性液体）具有一个极为宽广的弛豫时间谱，而这个弛豫时间谱实质上具有连续谱的特征 ，这种弛豫称为多重弛豫。对于某些生物介质（如牛血红蛋白的水溶液等），实验也发现有连续弛豫时间谱的特性。现代用声吸收技术来研究这些物质的结构和特性。23

实际介质声吸收典型的有下述三种情况。

大气吸收大气中主要吸收机制是分子弛豫吸收，即与空气中所含氧气、氮气、水蒸气和二氧化碳的主要成分有关。理论证明，氧气与水蒸气的相互作用占大气吸收的主要成分；氮气含量虽多，但只在低频和高湿度情况下起重要作用；二氧化碳虽只占大气的万分之三，但其作用，特别是在湿度较小的情况下绝不可忽略。因此考虑大气吸收时 ，相对湿度和温度都是重要的参量。当大气中含有水雾时（与固体及非蒸发性液滴悬浮体不同），在频率很低时 ，能引起反常吸收，这与水雾的浓度和雾滴大小都有关系，在频率较高时，黏滞吸收和热传导吸收仍占较大比例 ，不过在实际大气中，由于其他各种吸收因素，这一点不易被觉察出来。23

海水吸收容变黏滞系数的存在已能在理论上解释纯水的吸收。海水中含硫酸镁及硼酸，会导致两项化学弛豫吸收。海水在低频时吸收很小（100赫约为10－6分贝/米），但频率较高时吸收显著增高。硼酸在海水中含量甚微（约为百万分之四），但实验观察到它的水溶液在约1,000赫时显示出比纯水高300倍的弛豫吸收。至于含量也较低的硫酸镁导致的反常声吸收的测量以及理论探讨早在20世纪40年代末已开始。这两种吸收都与温度以及水的静压力有关 。海水中含有气泡等悬浮体，除产生声散射外，也是造成海水吸收的重要原因。2

溶液吸收电解质溶液的声吸收，其机制与声波导致的离解、离子水化等有关。对非电解质溶液，如氨化物、酒精等，其弛豫吸收可用水与溶质的氢键结构来解释；对旋转异构体，则视其结构而异。3

生物介质声吸收生物介质一般指生物软组织。声波在生物介质中能量衰减的机理十分复杂。除了黏滞、热传导和多种复杂的弛豫过程引起能量耗散外，还有因组织不均匀性而引起声波的散射，这部分散射能量并不能转换为热，仅改变声的传播路径。尽管声波的热耗散是主要的，但由于二者的贡献很难分离开来，因而在生物介质中常采用声衰减系数，替代声吸收系数来描述声波的传播损耗。2

测量方法主要有4种：①度量发射声脉冲的幅度因吸收而引起的随距离的相对变化的脉冲法。②度量衍射光的强度随声场距离的相对变化的光衍射法。③度量驻波声场中极大值或极小值的幅值随距离相对变化的声干涉法。④测量盛有待测介质的容器中共振锐度变化的共振法。共振法主要应用于较低频段的测量，而脉冲法应用较为普遍，精度较高，方式较多，借助快速发展的计算机与电子技术，脉冲法测量声吸收技术也一直在飞速发展着。2

本词条内容贡献者为:

刘勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院