聲輻射

聲輻射是聲源在媒質中形成聲場的過程。能在彈性媒質中激發聲波的物體稱為聲源。

聲輻射

正文

聲源在媒質中形成聲場的過程。能在彈性媒質中激發聲波的物體稱為聲源。
聲源的類型　有的聲源通過固體（如板、膜、弦、桿等）的振動輻射出聲波。有的聲源通過流體的運動輻射聲波，如哨、笛、噴注和爆炸等。
聲源將非聲能量轉化為聲能。把電能轉化為聲能的聲源稱為電聲換能器。常用的電聲換能器有壓電式、磁致伸縮式、電動式、電磁式和靜電式等。把流體動能轉化為聲能的聲源稱為流體動力式換能器。常見的流體動力式換能器有鏇笛、哨等。
自然界有不少聲源，如雷暴、水流、風浪、生物發聲等。為了不同目的，人們製造了多種聲源，如各種樂器、揚聲器、壓電和磁致伸縮換能器等。
聲源的特性　最主要的是頻率特性、指向性和發射聲功率等。人工聲源往往是諧振式的，重要的頻率特性有諧振頻率fo、發射帶寬Δf和品質因數Q,其中Δf＝fo/Q。電聲換能器的重要特性還有傳送回響,即在指定方向上，離聲中心1m遠處的表觀聲壓與輸送給換能器的電壓或電流之比。發射的聲功率與消耗的電功率之比稱為電聲效率。
聲波輻射　主要有兩方面問題：①聲源輻射時聲場的各種規律，如聲壓隨距離和方向的變化；②聲源激發起來的聲場反過來對聲源的影響，也就是由於輻射聲波而加在聲源上的輻射阻抗。
如果活塞式輻射器的振動體（活塞）尺寸比波長大得多，可以用無窮大平面的同相振動來考慮。這樣的振動平面產生平面行波，其聲壓與質點速度是同相的。對任何形式的波都有 p/μ＝Zc＝ρс的關係，其中p為聲壓，μ為質點速度,ρс為媒質的特性阻抗(ρ為媒質的密度，с為媒質中的聲速),它反映媒質對輻射器的反作用。對於正弦波平面聲源，平均單位面積輻射聲功率為

其中po和vo為輻射面上的聲壓和振速的輻值。面積為S的活塞輻射的總功率為

在無窮大障板中振動的比波長小的活塞，單位面積輻射的聲功率比大活塞的小得多。半徑為 a的圓形活塞在ka1（k為圓波數）的條件下，輻射功率為

其中S＝πa2為活塞面積。這時輻射阻抗 ZR已不是實數，而是複數。單位面積的輻射功率為

與上式相比較，小活塞單位面積輻射阻抗的實部

隨頻率降低而減小。阻抗的虛部使能量周期性地在活塞和附近的媒質間交換，對聲輻射沒有貢獻，但表現為同振質量。
簡單聲源　實際存在的聲源總可以歸結為簡單聲源的組合。簡單聲源中最主要的是單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源。更高階的聲源實際意義不大。
脈動球是單極子聲源（圖1）。脈動球在距離中心r處的聲壓是

其中w為脈動的圓頻率，vo為球表面振速，，a為球的半徑。

聲輻射

聲輻射

單位面積輻射阻抗為

阻抗虛部和實部隨參量 ka的變化見圖2。在ka1,即球半徑遠小于波長的條 件下，ReZR≈ρсk2a2,因此在振速和球半徑不變的條件下，單位面積輻射功率與頻率二次方成正比。
對整個球，輻射阻抗虛部。MR稱為同振質量,相當於三倍球體積的媒質的質量。因此發射器在水中的固有頻率比在空氣中要低。
單極子聲源是無方向性的，在簡單聲源中輻射效率最高。實際聲源中，爆炸、氣泡脈動和障板中的小活塞等都屬於單極子聲源。
振動球是偶極子聲源（圖3）。偶極子聲源的輻射指向性是8字形。對於小球(ka1)，偶極子輻射的聲壓為

其中vo為球振動速度的幅值。可以看出，輻射聲壓與球體積及振動速度成正比。

聲輻射

聲輻射

振動小球的輻射功率

即與頻率四次方成正比，效率比單極子低。弦的振動就是偶極子型的，如果沒有板或膜的幫助，弦的輻射功率是很小的。
四極子聲源可以認為是由兩個極性相反的偶極子聲源組成。它的輻射效率比偶極子更低。湍流發聲基本上是四極子聲源形式。
指向特性　許多聲源在輻射時向各方向輻射的聲能不同,形成所謂指向性，典型的指向性如圖4所示。指向性是由輻射器各部分的振動產生的波傳到接收點時以不同相位疊加的結果。對活塞輻射，在遠場（r≥L≈2d2/λ，λ為波長，d為輻射器直徑）,聲壓與角度的關係不隨距離而變,形成指向性。在近場(r<L)，聲場干涉很厲害，不形成指向性。
參考書目
　P.M.莫爾斯著,南京大學《振動與聲》翻譯組譯:《振動與聲》，科學出版社，北京，1974。(P. M. Morse,Vibration and Sound, 2nd ed., McGraw-Hill, New York,1948.)

配圖

相關連線