此条目介绍的是
声学中的声波现象。关于广义上的声,请见“
声音”。
声学波动(英语:acoustic wave),即声波,是一种在介质中传播的能量,通过绝热过程增压与减压。用于描述声波的重要物理量有声压、粒子速度、粒子位移和音强。声波以特定的速度传播,这一速度取决于其通过的介质。从扬声器播放的声音(以声速在空气中传播的波)、地震引起的地面运动(穿过地球的波)和用于医学成像的超声波(穿过身体的波)都属于声波。
声波方程描述了声波的传播。下式是描述一维声压的声波方程
![{\displaystyle {\partial ^{2}p \over \partial x^{2}}-{1 \over c^{2}}{\partial ^{2}p \over \partial t^{2}}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/314dca88fcbf87fdbd1ef7d48d01ca782616ea41)
其中
是声压,单位为帕
是波传播方向上的位置,单位为米
是声速,单位为米每秒
是时间,单位为秒
粒子速度的波动方程具有相同的形状,如下式
![{\displaystyle {\partial ^{2}u \over \partial x^{2}}-{1 \over c^{2}}{\partial ^{2}u \over \partial t^{2}}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cdecf3aacc0b7ac68026389c8aca13948f06773b)
其中
对于会损失声波的传播媒介,需要应用更复杂的模型以考虑频率衰减和相速度变化。此类模型包括包含分数导数项的声波方程,另请参见声的衰减。
达朗贝尔给出了无损声波方程的一般模型。对于声压,一种模型是
![{\displaystyle p=R\cos(\omega t-kx)+(1-R)\cos(\omega t+kx)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fa23ce0f7d42ab5dd152742cd115748781a3a781)
其中
是角频率,单位为rad/s
是时间,单位为秒
是波数,单位为rad·m -1
是系数,无单位
在行波中,压力和质点速度同相,这意味着两个量之间的相位角为零。
使用理想气体定律可以很轻松地证明这一点
![{\displaystyle pV=nRT}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/57c364f7f0b47178cfd35c3bbaf6dcb22a98cf44)
其中
是压力,单位为帕
是体积,单位为平方米
是数量,单位为摩尔
是通用气体常数,其值为![{\textstyle 8.314\,472(15)~{\frac {\mathrm {J} }{\mathrm {mol~K} }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5c33698ae3c1df70590028d8a1a8830c59b777b3)
考虑体积为
。当声波以该体积传播时,会发生绝热增压和减压。对于绝热变化,包裹声的体积
与压力
存在以下关系
![{\displaystyle {\partial V \over V_{m}}={-1 \over \ \gamma }{\partial p \over p_{m}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/228673122126d5891b511748671cba6c195d2094)
其中,
是无单位的绝热指数,其下标
表示各自变量的平均值。
声波是弹性波,可表现出衍射、反射和干涉等现象。另外需要注意的是,空气中传播的声波沿着相同的方向振荡,因此没有极化。
干扰是两个或更多波的添加,导致新的波型。当两个扬声器传输相同的信号时,可以观察到声波的干扰。在某些位置会发生相长干扰,使局部声压加倍。并且在其他位置发生相消干涉,导致局部声压为零帕斯卡。
==驻波== (页面存档备份,存于互联网档案馆)