聲學(xué)理論的一個(gè)創(chuàng)新

姜海東等

摘 要：一百多年前英國(guó)物理學(xué)家瑞利（Rayleigh）提出的多孔材料吸聲理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度不高。為此，張新安提出一種全新的吸聲理論。該文通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果的對(duì)比，進(jìn)一步證實(shí)了該吸聲理論的正確性。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)理論 吸聲理論 測(cè)試方法 創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：O42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0198-02

Abstract：Rayleighs porous sound absorption theory which have been put forward one hundred years ago is not well justified by experimental results. For this reason， xin-an zhang establish a new sound absorption model.Our further works prove that zhangs theory is consistent with test results.

Key Words：Acoustic；Sound absorption theory；The test method；Innovation

聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，也是最有發(fā)展前景的一個(gè)學(xué)科。從伽利略（Galileo Galilei）開始，介入聲學(xué)研究的幾乎是歐洲所有的重要物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家-當(dāng)時(shí)稱為哲學(xué)家。其中包括：胡克（Robert Hooke）、牛頓（Sir Issac Newton）、歐拉（Lonhard Eule）、拉普拉斯（Pieere Simon Laplace）、泰勒（Brook Taylor）、伯努利（Danial Bernoulli）、達(dá)朗貝爾（Jean la Rand dAlamert）、泊松（Simon Denis Poisson）、黎曼（Georg F.B. Piemann）、亥姆霍茲（Helmholtz）、歐姆（Georg Simon Ohm）、玻爾茲曼（Boltzmann）和托普勒（A.Toepler）等。

到了19世紀(jì)末，英國(guó)大物理學(xué)家瑞利（Lord Rayleigh）在其名著《聲的理論》中總結(jié)了300年的重要成果，集聲學(xué)理論之大成。瑞利是1904年諾貝爾獎(jiǎng)得主，其在光學(xué)和流體力學(xué)領(lǐng)域都有杰出貢獻(xiàn)。當(dāng)時(shí)的科學(xué)界聲稱，聲學(xué)已發(fā)展到了極點(diǎn)，問(wèn)題都解決了。之后，聲學(xué)轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究。在工程師賽賓的混響公式發(fā)明之后，第一個(gè)重要的聲學(xué)分支-建筑聲學(xué)得以建立。而其對(duì)于吸聲材料的研究后來(lái)又應(yīng)用到了噪聲控制領(lǐng)域。

盡管瑞利是一個(gè)偉大的物理學(xué)家，但其研究領(lǐng)域過(guò)于廣泛。因此，難免對(duì)某些問(wèn)題的看法不切合實(shí)際。瑞利關(guān)于聲波在多孔材料中的傳播理論一直得不到充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前，多孔材料的聲吸收理論仍然停留在實(shí)驗(yàn)分析階段。原因是瑞利理論與實(shí)驗(yàn)相吻合度不高。

2005年開始，張新安在其博士論文研究發(fā)現(xiàn)，頻率越高吸聲系數(shù)越高的現(xiàn)象并不出現(xiàn)在駐波管內(nèi)。而只有駐波管內(nèi)的聲波運(yùn)動(dòng)才可以做相對(duì)準(zhǔn)確理論分析。他發(fā)現(xiàn)，多孔材料的吸聲隨頻率的增加呈現(xiàn)波浪式變化，即有很多峰值。他在總結(jié)出這種頻譜的變化規(guī)律有提出了一個(gè)能夠很好描述實(shí)測(cè)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式，這其中現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的應(yīng)用在分析中起了很大作用。2006年他應(yīng)邀前往英國(guó)參加第12屆國(guó)際低頻噪聲會(huì)議（英國(guó)）并宣讀論文。該項(xiàng)成果獲得專家的好評(píng)。

進(jìn)一步分析后他發(fā)現(xiàn)多孔材料的吸聲并非像瑞利所說(shuō)的那樣由材料中的微孔對(duì)聲波的粘滯作用所產(chǎn)生。而是來(lái)自于材料自身在聲波作用下的振動(dòng)消耗。由此建立起來(lái)的理論模型和公式與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合很好。該項(xiàng)研究的論文在中國(guó)科技論文上發(fā)表后獲得評(píng)審專家的較高評(píng)價(jià)。2008年他應(yīng)邀參加08巴黎世界聲學(xué)大會(huì)并宣讀該論文。也得到了歐洲噪聲控制委員會(huì)主任委員，英國(guó)赫爾大學(xué)（University of Hull）終身教授Keith Attenborough的較好評(píng)價(jià)。

然而，在2008年之后的有關(guān)吸聲材料的各種專著和教材中，我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)張新安這一研究成果的介紹和對(duì)其吸聲系數(shù)計(jì)算公式的引用。

作為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的內(nèi)容，我們希望根據(jù)自己的測(cè)試結(jié)果對(duì)張新安的理論公式進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 測(cè)試方法和測(cè)試材料

該實(shí)驗(yàn)中，我們使用SW002-US 302USB駐波管雙聲道聲學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了棉纖維層，太空棉層，幾種非織造的吸聲頻譜。采用YG461E/Ⅱ型數(shù)字透氣量?jī)x測(cè)量材料透氣量。

2 傳統(tǒng)理論和新理論簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)理論[1-8]：

多孔性材料含有大量微孔和縫隙。材料薄時(shí)，吸聲特性主要由黏滯損失和其表面密度決定。但如厚度接近或超過(guò)波長(zhǎng)，聲波在其中傳播的距離較長(zhǎng)，就要考慮到空氣黏滯性和熱傳導(dǎo)作用。多孔性材料的固體骨骼在空氣聲中一般當(dāng)做硬骨骼，因?yàn)榭諝獾穆曌杩孤屎苄?，骨骼不隨之振動(dòng)。所以討論空氣中的多孔性材料時(shí)，只討論其中空氣的運(yùn)行。

文獻(xiàn)[2]還給出了幾種特殊情況下的多孔材料聲阻抗公式。

然而，根據(jù)資料檢索，目前尚未發(fā)現(xiàn)上述理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況[1-8]。

張氏吸聲理論發(fā)現(xiàn)，從準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果看，傳統(tǒng)理論所認(rèn)為的吸聲系數(shù)隨頻率的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，只發(fā)生在材料背后的空腔距離小于5 cm時(shí)的特殊情況下。而在其他多數(shù)情況下，多孔材料的吸聲隨頻率的增加呈現(xiàn)波浪式變化，即有很多峰值。因此傳統(tǒng)理論在多數(shù)情況下與實(shí)驗(yàn)并不吻合。

3 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論和展望

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，我們初步認(rèn)定，張新安的振動(dòng)吸聲系數(shù)計(jì)算公式與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好。另外，張新安最近還將其在聲學(xué)研究中的另一個(gè)發(fā)現(xiàn)?—聲波可以產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)的概念引入天體物理領(lǐng)域。初步解釋了宇宙暗能量的來(lái)源問(wèn)題[9-10]。我們希望張新安在其研究的道路上越走越遠(yuǎn)。

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