聲阻抗定義
聲阻抗是指媒質在波陣面某個面積上的聲壓與通過這個面積的體積速度的復數比值。單位是聲歐當考慮的是集總阻抗而不是分布阻抗時,某一部分媒質的聲阻抗就是驅動這部分媒質的聲壓差與體積速度的復數比值。聲阻抗的實部常稱“聲阻”,其虛部稱為“聲抗”。
聲阻抗以復數表示,實部為聲阻,虛部為聲抗。
一般表示聲波在介質中傳播的狀況常使用聲3個參數。
聲波傳導時介質位移需要克服的阻力。體積速度是穿過一面積S的介質流動速度,聲阻抗越大則推動介質所需要的聲壓就越大,聲阻抗越小則所需聲壓就越小。聲阻抗、聲壓和體積速度三者之間的關系如下式所示:
聲阻抗×體積速度=聲壓
這里,聲阻抗包括兩個部分:
描述聲源輻射聲功率大小的一個基本量是聲源的輻射阻抗,它通常是一個復數。其實部和虛部分別稱為輻射阻和輻射抗。輻射阻表征聲源向介質輻射聲能量的能力,輻射聲功率等于輻射阻乘以聲源容積速度的平方;輻射抗代表的能量稱為無功聲能,它存儲在聲場的近場中,并不輻射出去。
在力學中,研究波在傳播過程中遇到邊界時所發生的相互作用時用到聲阻抗的概念。波在傳播過程中遇到聲阻抗不同的介質時會發生反射、折射以及透射。
聲阻抗率
聲阻抗率即單位面積上的聲阻抗。它表示聲波在介質中波陣面上的聲壓與該面上質點的振動速度之比。在一般情況下,聲阻抗率是一個復數。其實數部分稱為聲阻率,表示聲能的傳輸。其虛數部分稱為聲抗率,表示有一部分聲能是以動能與位能的形式不斷地相互交換,而并不向外傳播。
在一般情況下,聲阻抗率是一個復數。其實數部分稱為聲阻率,表示聲能的傳輸。因此這是一種傳輸(輻射)阻,而不是損耗(阻尼)阻;其虛數部分稱為聲抗率,表示有一部分聲能是以動能與位能的形式不斷地相互交換,而并不向外傳播。對于球面或柱面等形式的聲波,聲阻抗率的大小不僅取決于介質的特性,而且還與聲波的頻率以及聲源和觀測點之間的距離有關。僅僅是在遠場條件下,球面波及柱面波等的聲阻抗率才趨近于平面行波的數值。
聲阻抗率的測量
① 密度測量方法
聲阻抗率Z=密度×聲速,根據,密度=質量/體積,質量可以由天平測量,體積可以用排水法測量,利用公式ρ=mv,計算樣品密度。有了聲速和密度的數據就可以利用公式Z=ρc計算出該介質的聲阻抗率。
② 垂直入射反射系數測量方法
聲阻抗率的另一種測量方法,是通過測量平面超聲波垂直入射條件下的反射系數而實現,如圖所示。具體步驟為:首先,利用已知聲阻抗率Z0的液體介質(如水);先測得水與空氣交界面聲壓反射幅度。由于空氣和水的阻抗率相差很大,所以產生全反射,設水中的反射聲壓為ρr0,如果忽略超聲在水中傳播時的損耗,則ρr0和入射波的聲壓幅度ρ0,應基本相同,ρr0=ρ0。這時再將被測介質代替空氣,測出反射聲壓幅度ρrx。
由聲壓反射系數計算式:
可得聲特征阻抗式中:
式中:Prx、Pr0可以測出,即r可測出,Z0已知,可以推出樣品的特性阻抗率Zx。影響該方法測量精度因素有:①聲束垂直入射的條件滿足程度;②超聲是否是平面波;③介質尺寸是否滿足比波長大很多等條件。
