近代声学技术 与现代生活授课教师：宋 扬 开课单位：水声工程学院 课程主要内容B第一章 近代声学技术概述（2学时）B第二章 电声学及其相关技术（2学时）B第三章 环境声学及其相关技术（4学时）B第四章 声学探测（6学时）B第五章 其他活跃的声学分支介绍（2学时）参考文献B 近代声学概述，参阅相关期刊文献。B 影视录音电声学林达悃，中国广播电视出版社。B 建筑声学设计原理吴硕贤 中国建筑出版社B 检测声学原理及应用尚志远 西北工业大学出版社B 超声医学基础陈思平 人民军医出版社B 马大猷. 声学手册. 北京：科学出版社B 声学学报编辑委员会. 声学学报.声学学报编辑部B 应用声学编辑委员会. 应用声学.应用声学编辑部B 声学技术编辑委员会. 声学技术.声学技术编辑部B 美国声学杂志编辑委员会. 美国声学杂志.美国声学杂志 编辑部第一讲 近代声学技术概述B人类主要通过光和声两种媒介来获取外部信息。B早在16世纪，伽利略就曾对弦的振动和发生做了详细 的观察和研究。B1978、1979年科学家瑞利发表了“声学理论”。B1900年Sabin发表”先进建筑声学”。B“次声”、“可听声”和“超声”，根据人类的感觉 对声做分类定义的。大象用次声交流，蝙蝠和海豚有 超声的语言。B但近代声学的研究和应用已远远超出人们听觉的限制 。覆盖了及其宽广的频率范围和及其广阔的领域 (0Hz1014Hz),形成了许多的边缘学科。第一讲 近代声学技术概述B第一次世界大战中，探测水艇的需求刺激了超声学和 水声学的发展。BP.Langevin从1916年起研究产生和运用水下超声。B1920年，贝尔实验室开始开发现代电话通讯和心理声 学的研究。1940年起，声学进入了医学界和化学界， 超声透热疗法和超声加速化学反应的尝试。B在工业中也出现了早期的无损检测仪器。B二次大战中，提出了在极强噪声环境下(如坦克)的可 靠语言交流的需要，大大促进了声学的发展。第一讲 近代声学技术概述B经典声学的理论很早被提出来，但到二十世 纪后期，伴随着微电子科学技术、特别是半 导体集成电路得发明，计算机科学技术和其 它学科的发展和进步，声学取得了巨大的飞 速的发展。B近代声学是在声学工作中应用电子技术而发 展起来的，实验条件的基础是电声测量技术.（一）近代声学特点及主要研究内容 B声学是一门研究声音的发生、传播、接收以及声波与 物质相互作用的科学 。B声学是一门渗透性很强的学科 。B声学已经成为近代物理科学中非常活跃的一个分支学 科。B近代声学有很宽阔的频率范围和媒质类别，分支既多 ，范畴又广，用其所长，舍其所短，就能充分利用声 波来达到各种不同目的 。（一）近代声学特点及主要研究内容B按照研究的对象和内容，近代声学有许多分 支。主要有：物理声学、线性声学、非线性 声学、语言声学、音乐声学、水声学、超声 学、量子声学、环境声学、建筑声学、生理 声学、心理声学、生物声学、计量声学、电 声学、超声电子学、超声医学、声测量和仪 器、声信号处理等等 。声学分支和它们与科学技术及文化艺术的关系B中心圆内是近代声学 的基础 ;B内环声学的各个分支 学科 ;B外环中扇形面积是各 分支学科的应用范围;B最外面是分属五大类 学科.第一讲 近代声学概述B近代声学特点及主要研究内容 B近代声学的主要应用技术 （一）近代声学特点及主要研究内容B声学作为物理学基础学科的研究B声作为信息载体的研究 B声作为能量载体的研究 B声作为信号处理载体的研究 B声作为人类听觉载体的研究 B超声诊断和治疗 B声换能器和声信号处理 （一）近代声学特点及主要研究内容（1）声学作为物理学基础学科的研究 B声学基本问题是振动和声的基本特性和各种 效应。 B对于声的辐射、传播和散射问题，扩展到对 脉冲波、对一些复杂形状的发声体和散射体 做研究。 B声学基本量的测量、特别是精确测量一般来 说是很难进行的 。B声与物质的相互作用研究是很重要的方面， 具有显著的交叉性。 声光效应、声致发光， 热声效应等。（一）近代声学特点及主要研究内容（2） 声作为信息载体的研究B声是机械波。声能够成为信号，作为信息的 载体，用于通讯、测量、检测、声波地质勘 探和控制等。电话语言通信研究、自动识别 的直接应用是声控开关。B目标的定位、测距、识别等，以及传声介质 声学特性的测量，是超声学、水声学、大气 声学、超声医学、声波地质勘探等共同关心 的问题，但媒质、指标、先验知识的差别导 致面临的问题是不同。（一）近代声学特点及主要研究内容（3）声作为能量载体的研究B作为波动，声本身携带和传递能量。次声的 能量能够引起人或生物的不适，高声强的可 听声或超声环境中的老鼠和鱼类会很快死亡B声能能够改变物质的结构、状态、功能、或 加速这些改变的过程。产生极端物理环境， 如高温高压高电场，液体中“声空化效应” 是功率超声的主要作用机理。（一）近代声学特点及主要研究内容（4）声作为信号处理载体的研究B声作为信号处理载体的原理基于声与电磁波 、声与光、声与其它物质等的相互作用。 B首先将电磁波信号转换成声信号，声信号经 过处理后再转换成电信号，这种将声作为信 号处理载体的思想是很巧妙的，并且有独特 优点的。 利用声波处理电磁波信号的器件体 积可以小15个数量级。电视机中的彩色解码 器，手机中的声表面波器件。（一）近代声学特点及主要研究内容（5）声作为人类听觉载体的研究B工作和生活的声学环境是环境保护的重要方 面。噪声控制成为重要的研究内容。B对声的心理学、物理学意义上的研究始终是 重点课题。B基于微穿孔板理论的小孔消声器在室内和隧 道内得到成功应用。（一）近代声学特点及主要研究内容（6）声换能器和声信号处理B几乎所有的声学分支都与换能器有关，也都 涉及到信号处理。 B换能器是声学和声学技术中最基本最重要的 器件。压电换能器、复合材料换能器、PVDF 薄膜换能器、电磁换能器等。（二）近代声学的主要应用技术 （1）超声在工业上的应用 a.大功率超声的工业应用B利用大功率超声波作用于物质，可改变物质的性质和 状态，如空化现象。B实现清洗、乳化、脱气以及使固体粒子悬浮、或使高 分子分解和聚合，促进化学反应等;在固体中发射大 功率超声，可用于粉碎、研磨、切割、加工和焊接等 等。B利用固体中超声波的特殊波形，研制成超声马达，具 有体积小、响应快、精度高和无电磁感应等特殊性能 ，适用于传真机、打印机等现代化办公设备中传送纸 张。 B超声清洗机B适用范围：电子零件、 电镀、五金、钟表、机 械、表带、工具、光学 镜片、珠宝首饰、镜片 、眼镜架、半导体硅片 、喷丝板过滤芯及玻璃 器皿等的清洗。 B超声脱气清洗机B用于液相色谱、农残留 检测仪的配套，实验仪 器玻璃器皿的清洗、分 析前的脱气、 药物的分 散，加速化学反应等。 B清华研制出世界上最小的超声马达。B 利用直径1毫米的超声马达制造出来的血管机器人， 在直径为34毫米的血管里，将活动得更加灵活，使 血栓类疾病的治疗变得更加简单。这种小马达也可以 用在胃镜中，制成体积更小的摄像头。将其用在国防 上，则可以生产出更小的微型飞机，更方便、更隐蔽 地收集信息，而不必担心被对方识别。 B 日前，清华大学物理系声学研究室研制出了直径为1 毫米的超声马达，并在中国“超声电机项目产业化论 坛”上得到众多专家的认可。专家们认为，这种直径 1毫米的弯曲旋转马达样机，是目前国际上直径最小 的超声马达。 （二）近代声学的主要应用技术(1)超声在工业上的应用 b.超声检侧和无损评价B超声无损评价(或超声检测)与电磁波、X光及粒子探 测技术并列为探索物质的四大技术。B物质内部的不均匀性如，气泡、裂痕、夹杂、疏松、 位错或脱粘等缺陷。引起超声波不同的反射信号。B测量流体的流速、流量、厚度、粘度、应力、温度及 液位等。 B声波在材料中的传播时间；声速随应力和温度而改变 等。B超声探伤仪B适用于金属和部分非金 属材料的无损检测，尤 其适用于流动性大的野 外或高空作业探伤，可 作为无损检测人员资格 考核用标准化仪器。B数字超声探伤仪 B最高采样速率240MHz ，测量分辨率0.1mm， 最小显示范围5mm工作 频率范围分15，0.5 15MHz两档，分别突显 高灵敏度和宽频带的优 点界面波跟踪功能，通 过A、B闸门间的逻辑关 系，容易实现水浸法探 伤或精确测厚B 超声波细胞粉碎机 B 利用强超声在液体中产生空 化效应，对物质进行超声处 理，能用于多种动植物细胞 、病毒细胞的破碎，同时可 用来乳化、分离、匀化、提 取、消泡、清洗及加速化学 反应等等。被广泛应用于生 物化学、微生物学、药物化 学、表面化学、物理学、动 物学等领域。 B 智能超声波流量计B 是利用超声波穿过流动的流 体时，沿着顺流方向和逆流 方向的传播速度不同，而产 生时间差的原理，设计制造 出来的。广泛的应用于管网 给排水、电厂锅炉给水、食 品加工清洗用水、纸厂用水 、地热取水、地下取水以及 化工厂腐蚀性高粘度的化学 液体的计量。 （二）近代声学的主要应用技术(2)光声学与激光超声 B光声效应：当强度调制的激光束照射于物质(包括气 体、液体和固体)时，物质吸收光能而产生热，周期 性热流使周围的介质热胀冷缩而激发声波，这种将光 能转化为声能的现象称为。B与红外照相(热像)技术相结合发展的热脉冲回波成像 技术，适合于对航空、航天飞机、输气、输油管道等 大型机件的非接触式大面积的无损检测。 （二）近代声学的主要应用技术(3)声电子技术B声表面波器件可对信号完成传递、延迟、滤波、展宽 、压缩、移频、调制、解调、开关、放大、编码、解 码、卷积相关、报谱分析、富氏变换及其他数学变换 等信号处理功能。B声表面波器件广泛应用于通讯、雷达、电子对抗、电 视广播、光电子学以及传感控制等领城。目前主要是 几十兆赫至几百兆赫频段。 （二）近代声学的主要应用技术(4)生物医学超声B超声与X光、核磁共振成为医学三大诊断手段B超声诊断在医院中已普遍推广，许多疾病都可由超声 诊断仪(如A型扫描仪，B型超声断面显像仪，多普勒 血流图等等)早期发现。B超声治疗：利用超声的热效应、振动效应以及由强振 动引起的空化效应。B超声外科手术：超声手术刀代替通常的手术刀，切除 人体病变组织。BB超诊断仪B扫描声成像是通过扫描 从不同位置“照明”物 体和接收含有物体信息 的声信号，经过相应的 适当处理，获得物体声 像，并在荧光屏上显示 以获得可见图像。B超声治疗原理： 可调超声能量穿透至 病变部位并聚积，由表 及里，从里到外的治疗 ，精确定位，表皮无损 伤； 病变组织在超声波的 热效应、机械效应、空 化效应作用下发生可逆 改变的细胞在微循环改 善恢复功能BTXD-I型肿瘤低频超声 辐射微波治疗仪，应用 于临床，治疗恶性肿瘤 取得了可喜的疗效，为 癌症二、三期患者遏制 恶性肿瘤生长和继续扩 散，提供了有效的治疗 方法。 B 该仪器应用超声波的“切割 效应”及“空化效应”将白 内障晶体破碎乳化后吸出眼 外，植入人工晶体，以恢复 视力。超声乳化术是目前世 界上最先进的白内障手术 。B 美国ALCON超声乳化系统( 珠峰20000系列)。世界第一 流的超声乳化系统。（二）近代声学的主要应用技术(5)声化学和声空化B利用超声来加速化学反应，增加反应产率和 引发新的化学反应等。 B声化学技术在生产上可望首先为合成塑料、 洗涤剂、制剂和化肥等化工工业方面带来重 大变革，因此受到化工生产行业的极大关注 。 B 超声酿酒机B 超声波萃取、陈化与醇化超 声波萃取技术主要用在制药 、食品、生物工程等领域， 而超声波酿酒醇化仪主要是 应用在酿酒与香水制造业。 将超声波作用于发酵液，可 增加细胞膜的透性和选择性 ，促进酶的分泌，增强细胞 的代谢过程，从而缩短发酵 时间，改善生物反应条件， 提高生产效率。 （二）近代声学的主要应用技术(6)语言信息处理a.语言识别:旅行信息查询、飞机订票、城市查 勘以及办公室