超声波的吸收特性

超声波在介质中传播时被吸收的情况与介质的性质有关。因此，对超声吸收的研究不仅对了解超声在介质中传播情况是必要的，而且也是探索介质特性和结构的一种方法。
（1）液体介质中的声吸收
根据经典理论，液体介质中的声吸收主要是由于介质的内摩擦或黏滞性引起的。根据斯托克斯(Stokes)的推导，内摩擦引起的吸收系数等于

该等式中，η为介质的黏滞系数；p为介质的密度；f为超声波的频率；c为声速。
除此之外，声吸收还与声波在其中传播的介质的导热性有关，由于热传导使得声波的压缩和稀疏部分之间进行热交换，必然引起声波能量的减少。基尔霍夫（Kirchhoff）曾导出由于热传导引起的声吸收为

该等式中，K为介质的热导率；y为比定压热容与比定容热容的比值；为比定压热容。 因此，总吸收系数为

   
（1-3）

由此式看出，吸收系数α与声波频率的平方成正比。
按照式（1-3）计算的结果与实际测量结果有一些差异，这是因为声波通过液体时，液体依次发生的状态是不平衡的，而且状态的变化是不可逆的，因而声波还要丧失一些能量。另外，还有分子吸收未被考虑。准确计算声吸收系数时，必须仔细考虑以上诸因素。
（2）气体介质中的声吸收
气体介质中的声吸收，经典理论给出了与液体介质中完全相同的表达式，即式（1-3）。在多原子气体中测得的吸收系数总是大于按经典理论计算的值。引起声吸收值增高的原因也是由于分子的内部过程，即存在着分子声吸收。
（3）固体介质中的声吸收
在固体介质中，声吸收在很大程度上取决于固体的实际结构。在均匀的介质中，声的吸收基本上是由内摩擦和热传导所决定，通常是很小的。然而，当声波在多晶体固体介质中传播时，由于这些多晶体是由许多分开的小晶体组成的，所以声吸收主要由晶体的大小和声波波长的关系决定。在高频，当声波波长小于晶粒的大小时，即λd时(d是晶粒的直径），则在每个晶粒中声都会受到吸收，吸收系数与频率的平方成正比。假如波长与晶粒大小是同数量级的，则声在各个晶体之间便出现散射，并且声吸收主要由漫散射决定。当λd时， 声波一方面被比波长小的质点所散射，同时吸收由热传导引起的比例大为增加。对于很低的频率，称作能量的瑞利散射的声波在声的吸收方面有很大的影响。声吸收是与频率的4次方成正比的。
在一些固体材料中，假如声强度足够高，则由于声吸收可使材料的温度得到很大升高，这种热效应在超声焊接等方面有实际意义。

审核编辑 黄昊宇