声阻抗定义
声阻抗是指媒质在波阵面某个面积上的声压与通过这个面积的体积速度的复数比值。单位是声欧当考虑的是集总阻抗而不是分布阻抗时,某一部分媒质的声阻抗就是驱动这部分媒质的声压差与体积速度的复数比值。声阻抗的实部常称“声阻”,其虚部称为“声抗”。
声阻抗以复数表示,实部为声阻,虚部为声抗。
一般表示声波在介质中传播的状况常使用声3个参数。
声波传导时介质位移需要克服的阻力。体积速度是穿过一面积S的介质流动速度,声阻抗越大则推动介质所需要的声压就越大,声阻抗越小则所需声压就越小。声阻抗、声压和体积速度三者之间的关系如下式所示:
声阻抗×体积速度=声压
这里,声阻抗包括两个部分:
描述声源辐射声功率大小的一个基本量是声源的辐射阻抗,它通常是一个复数。其实部和虚部分别称为辐射阻和辐射抗。辐射阻表征声源向介质辐射声能量的能力,辐射声功率等于辐射阻乘以声源容积速度的平方;辐射抗代表的能量称为无功声能,它存储在声场的近场中,并不辐射出去。
在力学中,研究波在传播过程中遇到边界时所发生的相互作用时用到声阻抗的概念。波在传播过程中遇到声阻抗不同的介质时会发生反射、折射以及透射。
声阻抗率
声阻抗率即单位面积上的声阻抗。它表示声波在介质中波阵面上的声压与该面上质点的振动速度之比。在一般情况下,声阻抗率是一个复数。其实数部分称为声阻率,表示声能的传输。其虚数部分称为声抗率,表示有一部分声能是以动能与位能的形式不断地相互交换,而并不向外传播。
在一般情况下,声阻抗率是一个复数。其实数部分称为声阻率,表示声能的传输。因此这是一种传输(辐射)阻,而不是损耗(阻尼)阻;其虚数部分称为声抗率,表示有一部分声能是以动能与位能的形式不断地相互交换,而并不向外传播。对于球面或柱面等形式的声波,声阻抗率的大小不仅取决于介质的特性,而且还与声波的频率以及声源和观测点之间的距离有关。仅仅是在远场条件下,球面波及柱面波等的声阻抗率才趋近于平面行波的数值。
声阻抗率的测量
① 密度测量方法
声阻抗率Z=密度×声速,根据,密度=质量/体积,质量可以由天平测量,体积可以用排水法测量,利用公式ρ=mv,计算样品密度。有了声速和密度的数据就可以利用公式Z=ρc计算出该介质的声阻抗率。
② 垂直入射反射系数测量方法
声阻抗率的另一种测量方法,是通过测量平面超声波垂直入射条件下的反射系数而实现,如图所示。具体步骤为:首先,利用已知声阻抗率Z0的液体介质(如水);先测得水与空气交界面声压反射幅度。由于空气和水的阻抗率相差很大,所以产生全反射,设水中的反射声压为ρr0,如果忽略超声在水中传播时的损耗,则ρr0和入射波的声压幅度ρ0,应基本相同,ρr0=ρ0。这时再将被测介质代替空气,测出反射声压幅度ρrx。
由声压反射系数计算式:
可得声特征阻抗式中:
式中:Prx、Pr0可以测出,即r可测出,Z0已知,可以推出样品的特性阻抗率Zx。影响该方法测量精度因素有:①声束垂直入射的条件满足程度;②超声是否是平面波;③介质尺寸是否满足比波长大很多等条件。
