近代声学技术概述(第1次课).ppt

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 第一章近代声学技术概述 2学时 第二章电声学及其相关技术 2学时 第三章环境声学及其相关技术 4学时 第四章声学探测 6学时 第五章其他活跃的声学分支介绍 2学时 参考文献 近代声学概述 参阅相关期刊文献 影视录音电声学 林达悃 中国广播电视出版社 建筑声学设计原理 吴硕贤中国建筑出版社 检测声学原理及应用 尚志远西北工业大学出版社 超声医学基础 陈思平人民军医出版社马大猷 声学手册 北京 科学出版社 声学学报 编辑委员会 声学学报 声学学报 编辑部 应用声学 编辑委员会 应用声学 应用声学 编辑部 声学技术 编辑委员会 声学技术 声学技术 编辑部 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 人类主要通过光和声两种媒介来获取外部信息 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 1978 1979年科学家瑞利发表了 声学理论 1900年Sabin发表 先进建筑声学 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 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 0Hz 1014Hz 形成了许多的边缘学科 第一讲近代声学技术概述 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 P Langevin从1916年起研究产生和运用水下超声 1920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 在工业中也出现了早期的无损检测仪器 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 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 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 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 声学是一门渗透性很强的学科 声学已经成为近代物理科学中非常活跃的一个分支学科 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 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 中心圆内是近代声学的基础 内环声学的各个分支学科 外环中扇形面积是各分支学科的应用范围 最外面是分属五大类学科 第一讲近代声学概述 近代声学特点及主要研究内容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 声学作为物理学基础学科的研究声作为信息载体的研究声作为能量载体的研究声作为信号处理载体的研究声作为人类听觉载体的研究超声诊断和治疗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声学基本问题是振动和声的基本特性和各种效应 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 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 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 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 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 对声的心理学 物理学意义上的研究始终是重点课题 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 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 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 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 超声清洗机适用范围 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 超声脱气清洗机用于液相色谱 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 清华研制出世界上最小的超声马达 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3 4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 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 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 测量流体的流速 流量 厚度 粘度 应力 温度及液位等 声波在材料中的传播时间 声速随应力和温度而改变等 超声探伤仪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 数字超声探伤仪最高采样速率240MHz 测量分辨率0 1mm 最小显示范围5mm工作频率范围分1 5 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 超声波细胞粉碎机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 智能超声波流量计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 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 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 生物医学超声超声与X光 核磁共振成为医学三大诊断手段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 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 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 B超诊断仪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 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 TXD 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 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 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 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 超声酿酒机超声波萃取 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管理等特殊应用场合的语言识别和语言理解系统都取得了较好的效果b 语言合成 为残疾人提供朗读或助讲等等 二 近代声学的主要应用技术 7 水声信号处理技术声波是唯一能在海水中有效地进行远距离信息传递的载体 所有的水下探测 通讯 导航 遥控等活动都离不开声学 声信号的处理和分析经常借鉴其他学科中的方法和技术是较早应用数字技术的学科 如FFT 快速傅里叶变换 短时傅里叶变换及时频分析 数字滤波技术 小波变换等 二 近代声学的主要应用技术 8 环境声学环境科学是当前研究的前沿热点之一 其中环境声学由于人类生存条件的变化 引起了很大的重视 为了改善厅堂内音质及隔绝室外噪声 对吸声材料和隔声材料进行了理论和实验研究 噪声控制 一般采取隔绝的方式 近年来则发展有源消噪和减振的方式 即人为地有目的地产生次级声振动信号去抵消原有噪声 从而达到消噪和除噪的目的 如 耳鸣干扰器 掩蔽声等 小孔消声器是控制空气动力性噪声往外传播的有效设备 在内部作声学处理后 可以大大降低噪音的产生和传播 且不影响气流通过 安装消声器后 设备消声量应达到20 40dB A 主观感觉响度相应降低50 90 的效果 枪的声音主要来自子弹出堂 空气冲出枪口是巨大的压力对外面的空气引起的冲击震动 二 近代声学的主要应用技术 9 电声系统及其应用传声器 话筒 和扬声器 喇叭 除音质好之外 对外形 如小型化 等也有特殊要求 随着立体声技术的发展以及人们欣赏能力的提高 对扬声器和组合音响设备也有更高要求 特别是脉冲编码调制录音技术和数字音频唱片的出现 要求扬声器 喇叭 同时承受功率大 动态范围大 频响宽广平坦 失真小的瞬态响应良好等特性 二 近代声学的主要应用技术 除上述有关方面之外 还有声光相互作用及其在系统控制和信号处理中的应用 超声在农业上的应用 音乐和乐器的研究 生理和心理声学 以及大气和地球中传播次声研究等