聲學(xué)原理

內(nèi)容概要

本書(shū)系統(tǒng)介紹了流體介質(zhì)中聲波的激發(fā)、傳播和接收的基本原理和分析方法.主要內(nèi)容包括：理想流體中聲波的基本性質(zhì),聲波的輻射、散射和衍射,管道和腔體中的聲場(chǎng),非理想流體中的聲波,平面層狀和運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的聲傳播,以及有限振幅聲波的傳播及其物理效應(yīng)本書(shū)可作為理工科高年級(jí)本科生和研究生的教材,也可作為聲學(xué)研究工作者和技術(shù)人員的參考書(shū).

作者簡(jiǎn)介

程建春，1961年生于江蘇武進(jìn)。1992年于南京大學(xué)獲理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為南京大學(xué)物理學(xué)院二級(jí)教授。2001年獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，2009年獲中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)首屆馬大猷聲學(xué)獎(jiǎng)，2011年獲中國(guó)物理學(xué)會(huì)饒毓泰物理獎(jiǎng)。

書(shū)籍目錄

前言第1章 理想流體中聲波的基本性質(zhì)1.1 聲波方程1.1.1 Lagrange坐標(biāo)下的波動(dòng)方程1.1.2 Euler坐標(biāo)下的守恒定律1.1.3 小振幅聲波方程1.1.4 速度勢(shì)和二階非線性方程1.1.5 Lagrange坐標(biāo)與Euler坐標(biāo)的關(guān)系1.2 聲場(chǎng)的基本性質(zhì)1.2.1 聲場(chǎng)的能量關(guān)系1.2.2 初始條件和邊界條件1.2.3 聲場(chǎng)的唯一性1.2.4 疊加原理和反演對(duì)稱(chēng)性1.2.5 聲學(xué)中的互易原理1.3 行波解和平面波展開(kāi)1.3.1 直角坐標(biāo)中的平面行波1.3.2 角譜展開(kāi)方法1.3.3 球面行波及其平面波展開(kāi)1.3.4 柱面行波及其平面波展開(kāi)1.4 平面界面上聲波的反射和透射1.4.1 不同介質(zhì)間界面上的反射和透射1.4.2 阻抗界面上的反射及蠕行波1.4.3 瞬態(tài)平面波的反射和透射1.4.4 有限寬波束的反射和透射1.4.5 隔聲的基本規(guī)律1.4.6 薄板的隔聲1.5 聲波的度量、測(cè)量和分析1.5.1 聲壓級(jí)和加權(quán)聲壓級(jí)1.5.2 聲波的相干性1.5.3 聲波接收的基本原理1.5.4 聲學(xué)中的不確定關(guān)系第2章 無(wú)限空間中聲波的輻射2.1 多極子展開(kāi)和組合聲源2.1.1 單極子和自由空間的Green函數(shù)2.1.2 偶極子聲輻射2.1.3 四極子聲輻射2.1.4 小區(qū)域體源和面源2.1.5 組合聲源2.2 柱狀聲源的輻射2.2.1 柱坐標(biāo)中分離變量法2.2.2 振動(dòng)柱體向無(wú)限空間中的輻射2.2.3 柱體上的活塞振動(dòng)和穩(wěn)相法2.2.4 自由空間Green函數(shù)的柱函數(shù)展開(kāi)2.2.5 存在剛性圓柱時(shí)空間的Green函數(shù)2.3 球狀聲源的輻射2.3.1 球坐標(biāo)中分離變量法2.3.2 球面振動(dòng)向無(wú)限空間的輻射2.3.3 自由空間Green函數(shù)的球函數(shù)展開(kāi)2.3.4 存在剛性球時(shí)空間的Green函數(shù)2.4 平面界面附近的聲輻射2.4.1 聲場(chǎng)的Green函數(shù)表示2.4.2 阻抗平面前點(diǎn)聲源的輻射2.4.3 分層平面前點(diǎn)聲源的輻射和側(cè)面波2.4.4 無(wú)限大剛性或阻抗障板上的活塞輻射2.4.5 圓形剛性活塞輻射的瞬態(tài)解2.4.6 自由空間的圓盤(pán)輻射2.5 有限束超聲場(chǎng)和非衍射波2.5.1 有限束超聲場(chǎng)2.5.2 非衍射波束的譜展開(kāi)2.5.3 等聲速非衍射波束2.5.4 超聲速非衍射波束2.6 聲波與聲源的相互作用2.6.1 無(wú)限大膜的聲輻射2.6.2 無(wú)限剛性障板上圓膜振動(dòng)的輻射2.6.3 無(wú)限大薄板的彎曲振動(dòng)2.6.4 無(wú)限剛性障板上薄板振動(dòng)的輻射第3章 聲波的散射和衍射3.1 柱體和球體的散射3.1.1 無(wú)限長(zhǎng)圓柱體對(duì)平面波的散射3.1.2 球體對(duì)平面波的散射3.1.3 水中氣泡的共振散射3.1.4 球體對(duì)球面波的散射3.1.5 橢圓柱體的散射3.1.6 任意形狀的積分方程方法3.2 非均勻區(qū)域的散射3.2.1 非均勻區(qū)域的聲波基本方程3.2.2 散射的積分方程和Born近似3.2.3 非穩(wěn)態(tài)不均勻區(qū)對(duì)聲波的散射3.2.4 隨機(jī)分布散射體的散射3.2.5 表面的散射3.2.6 周期結(jié)構(gòu)中聲波的傳播3.3 剛性屏和楔的聲衍射3.3.1 屏對(duì)平面波的衍射3.3.2 屏對(duì)柱面波的衍射3.3.3 剛性楔的衍射3.3.4 楔形區(qū)內(nèi)的聲場(chǎng)3.3.5 剛性地面上的有限屏3.4 逆散射和衍射CT理論3.4.1 Kirchhoff積分公式3.4.2 邊界反演的Kirchhoff近似3.4.3 非均勻介質(zhì)反演的Born和Rytov近似3.4.4 二維近場(chǎng)衍射CT理論3.4.5 反射模式的衍射CT3.4.6 聲源的反演第4章 管道中的聲傳播和激發(fā)4.1 等截面波導(dǎo)中聲波的傳播4.1.1 剛性壁面的等截面波導(dǎo)4.1.2 阻抗壁面的等截面波導(dǎo)4.1.3 剛性和阻抗壁面的矩形波導(dǎo)4.1.4 剛性和阻抗壁面的圓形波導(dǎo)4.1.5 剛性壁面的橢圓柱體波導(dǎo)4.2 等截面波導(dǎo)中聲波的激發(fā)4.2.1 頻率域振動(dòng)面激發(fā)4.2.2 振動(dòng)面激發(fā)的瞬態(tài)波形4.2.3 頻率域Green函數(shù)4.2.4 時(shí)間域Green函數(shù)4.2.5 管道壁面振動(dòng)激發(fā)的聲場(chǎng)4.3 突變截面波導(dǎo)及平面波近似4.3.1 突變截面波導(dǎo)的模式展開(kāi)方法4.3.2 平面波近似4.3.4 駐波管及吸聲材料法向系數(shù)的測(cè)量4.3.5 周期截面波導(dǎo)中的平面波4.4 集中參數(shù)模型4.4.1 典型子結(jié)構(gòu)的集中參數(shù)模型4.4.2 具有子結(jié)構(gòu)的管道系統(tǒng)4.4.3 具有周期旁支結(jié)構(gòu)的管道4.4.4 集中參數(shù)系統(tǒng)4.5 緩變截面管道中的平面波4.5.1 Webster方程4.5.2 指數(shù)曲線形號(hào)筒4.5.3 其他Salmon號(hào)筒4.5.4 Webster方程的WKB近似4.5.5 一般管道的WKB近似第5章 腔體中的聲場(chǎng)5.1 簡(jiǎn)正模式理論5.1.1 剛性壁面腔體的簡(jiǎn)正模式和展開(kāi)5.1.2 阻抗壁面腔體的簡(jiǎn)正模式5.1.3 阻抗壁面腔體中聲波方程的頻域解5.1.4 阻抗壁面腔體中聲波方程的時(shí)域解5.1.5 腔內(nèi)聲場(chǎng)與壁面振動(dòng)的耦合5.2 規(guī)則形腔中的簡(jiǎn)正模式5.2.1 剛性壁面的矩形腔5.2.2 阻抗壁面的矩形腔5.2.3 剛性和阻抗壁面的球形腔5.2.4 剛性和阻抗壁面的圓柱形腔5.2.5 不規(guī)則腔的變分近似5.2.6 不規(guī)則腔的模式展開(kāi)方法5.3 高頻近似和擴(kuò)散聲場(chǎng)5.3.1 腔內(nèi)的穩(wěn)態(tài)聲場(chǎng)5.3.2 腔內(nèi)的瞬態(tài)聲場(chǎng)5.3.3 擴(kuò)散聲場(chǎng)及其基本性質(zhì)5.3.4 擴(kuò)散聲場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)方法5.3.5 擴(kuò)散場(chǎng)中聲壓的空間相關(guān)特性5.3.6 擴(kuò)散聲場(chǎng)中界面的聲吸收和透射5.4 低頻近似和Helmholtz共振腔5.4.1 封閉腔的低頻近似5.4.2 無(wú)限大障板上的Helmholtz共振腔5.4.3 自由場(chǎng)中的Helmholtz共振腔5.4.4 共振頻率的管端修正5.4.5 黏滯和熱傳導(dǎo)的影響5.5 兩個(gè)腔的耦合5.5.1 耦合腔聲場(chǎng)的激發(fā)5.5.2 耦合腔的簡(jiǎn)正模式和簡(jiǎn)正頻率5.5.3 高頻擴(kuò)散場(chǎng)近似5.5.4 低頻近似5.5.5 封閉腔中的Helmholtz共振腔第6章 非理想流體中聲波的傳播和激發(fā)6.1 非理想流體中的聲波方程6.1.1 黏滯流體的本構(gòu)方程6.1.2 黏滯流體中的聲波方程6.1.3 等溫聲速和等熵聲速6.1.4 能量守恒關(guān)系6.1.5 邊界條件6.2 耗散介質(zhì)中聲波的傳播和散射6.2.1 無(wú)限大耗散介質(zhì)中的平面波模式6.2.2 聲學(xué)邊界層理論6.2.3 邊界層的能量損失6.2.4 剛性邊界上平面波的反射6.2.5 耗散介質(zhì)中球的散射6.3 管道和狹縫中平面波的耗散6.3.1 粗圓管中的平面波6.3.2 細(xì)圓管中的平面波和微穿孔材料6.3.3 狹縫中平面波傳播6.3.4 熱聲效應(yīng)6.4 黏滯對(duì)聲輻射的影響6.4.1 黏滯介質(zhì)中的多極展開(kāi)6.4.2 平面聲源6.4.3 球面和柱面聲源6.4.4 一般尺度聲源6.5 流體和生物介質(zhì)中聲波的吸收6.5.1 經(jīng)典吸收的討論6.5.2 分子弛豫吸收理論6.5.3 生物介質(zhì)中的聲吸收和分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)6.5.4 Kramers-Kronig色散關(guān)系第7章 平面層狀介質(zhì)中的聲波7.1 平面層狀波導(dǎo)7.1.1 單一均勻?qū)硬▽?dǎo)中的簡(jiǎn)正模式7.1.2 單一均勻?qū)硬▽?dǎo)中聲波的單頻激發(fā)7.1.3 雙層流體波導(dǎo)中的簡(jiǎn)正模式7.1.4 雙層流體波導(dǎo)中聲波的單頻激發(fā)7.2 連續(xù)變化平面層狀介質(zhì)7.2.1 連續(xù)變化介質(zhì)平面波導(dǎo)7.2.2 線性變化波導(dǎo)和Airy函數(shù)7.2.3 淺海平面波導(dǎo)7.2.4 大氣中點(diǎn)源激發(fā)的聲場(chǎng)7.2.5 平面波的反射和透射7.3 WKB近似方法7.3.1 WKB近似理論7.3.2 轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的解7.3.3 漸近匹配方法7.3.4 連續(xù)變化層狀波導(dǎo)的WKB近似解7.3.5 轉(zhuǎn)折點(diǎn)波導(dǎo)中聲波的激發(fā)7.4 幾何聲學(xué)近似7.4.1 程函方程和輸運(yùn)方程7.4.2 Fermat原理和Hamilton形式7.4.3 平面層狀介質(zhì)中的聲線7.4.4 射線管的能量守恒7.4.5 圓弧焦散線附近的聲場(chǎng)第8章 運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的聲傳播和激發(fā)8.1 勻速運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中的聲波8.1.1 勻速流動(dòng)介質(zhì)中的波動(dòng)方程8.1.2 聲波的反射和透射8.1.3 頻域Green函數(shù)8.1.4 具有均勻流的管道8.2 運(yùn)動(dòng)聲源激發(fā)的聲波8.2.1 亞音速勻速運(yùn)動(dòng)8.2.2 超音速勻速運(yùn)動(dòng)8.2.3 針狀物超音速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的場(chǎng)8.2.4 運(yùn)動(dòng)聲源的輻射功率8.2.5 非勻速運(yùn)動(dòng)的聲源8.3 緩變非均勻流動(dòng)介質(zhì)中的聲波8.3.1 分層穩(wěn)定流動(dòng)介質(zhì)中的波動(dòng)方程8.3.2 分層穩(wěn)定流動(dòng)介質(zhì)中的點(diǎn)質(zhì)量源激發(fā)8.3.3 穩(wěn)定流動(dòng)介質(zhì)中的幾何聲學(xué)8.3.4 非穩(wěn)定流動(dòng)介質(zhì)8.4 不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的聲波8.4.1 Lighthill理論8.4.2 湍流區(qū)域存在界面的情況8.4.3 氣流噪聲的譜分布8.4.4 漩渦產(chǎn)生的聲波第9章 有限振幅聲波的傳播9.1 理想介質(zhì)中的有限振幅平面波9.1.1 簡(jiǎn)單波和沖擊波9.1.2 畸變波形的諧波分析9.1.3 一般周期波和Fenlon解9.1.4 復(fù)合波聲場(chǎng)和Riemann不變量9.2 黏滯和熱傳導(dǎo)介質(zhì)中的有限振幅波9.2.1 非線性方程的微擾展開(kāi)9.2.2 一維有限振幅行波9.2.3 Burgers方程的Fay解9.2.4 有限振幅球面波和柱面波9.2.5 二階近似下的Westervelt方程9.3 色散介質(zhì)中的有限振幅波9.3.1 弛豫介質(zhì)中的有限振幅平面波9.3.2 管道中的有限振幅平面波9.3.3 生物介質(zhì)中的有限振幅波9.3.4 含氣泡液體中的有限振幅波9.4 有限振幅聲束的傳播9.4.1 KZK方程9.4.2 準(zhǔn)線性理論9.4.3 參量陣?yán)碚?.4.4 非線性自解調(diào)9.4.5 強(qiáng)非線性聲束第10章 有限振幅聲波的物理效應(yīng)10.1 聲輻射壓力和聲懸浮10.1.1 聲輻射壓力10.1.2 聲噴泉效應(yīng)10.1.3 剛性小球的聲懸浮10.1.4 可壓縮球的聲懸浮10.2 聲流理論10.2.1 Eckart理論及其修正10.2.2 Nyborg聲流理論10.2.3 平面界面附近的聲流10.2.4 剛性小球附近的微聲流10.3 聲空化效應(yīng)10.3.1 液體的空化核理論10.3.2 不可壓縮液體中氣泡的振動(dòng)10.3.3 可壓縮液體的Trlling模型10.3.4 可壓縮液體的Keller-Miksis模型10.3.5 氣泡振動(dòng)分析主要參考書(shū)目附錄附錄A 常見(jiàn)物體的聲參數(shù)A.1 液體A.2 氣體A.3 固體A.4 生物組織附錄B 矢量場(chǎng)的運(yùn)算B.1 三個(gè)矢量的積B.2 矢量場(chǎng)的微分公式B.3 矢量場(chǎng)的微分表達(dá)式B.4 矢量場(chǎng)積分公式附錄C 球和柱坐標(biāo)中的本構(gòu)關(guān)系C.1 柱坐標(biāo)C.2 球坐標(biāo)附錄D 張量運(yùn)算公式D.1 并矢和張量定義D.2 張量的運(yùn)算D.3 梯度算子▽的張量形式D.4 張量場(chǎng)的微分公式D.5 張量場(chǎng)的積分公式附錄E 特殊函數(shù)的常用公式E.1 柱函數(shù)的遞推公式E.2 虛宗量Bessel函數(shù)的遞推公式E.3 球Bessel函數(shù)的遞推公式E.4 Legendre函數(shù)的遞推公式E.5 Bessel函數(shù)的常用積分附錄F 熱力學(xué)關(guān)系F.1 隱函數(shù)F(x,y,z)=0的微分關(guān)系F.2 Maxwell關(guān)系附錄G 英漢人名對(duì)照

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：第1章 理想流體中聲波的基本性質(zhì) 理想流體是指可以忽略諸如黏滯、熱傳導(dǎo)和弛豫等不可逆過(guò)程的流體。與黏滯流體或者固體不同，理想流體內(nèi)任意一個(gè)曲面上的作用力（鄰近流體質(zhì)點(diǎn)的壓力）平行于這個(gè)曲面的法向，而與流體的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。在聲波頻率不太高或者遠(yuǎn)離邊界處（見(jiàn)第6章討論），大部分流體（如空氣和水）可看作理想流體。本書(shū)主要圍繞理想流體中聲波的激發(fā)、傳播和接收展開(kāi)，因此，本章首先介紹理想流體中聲波的基本性質(zhì)，主要包括：聲波方程，導(dǎo)出理想流體中小振幅聲波傳播的方程；聲場(chǎng)的基本性質(zhì)，介紹聲場(chǎng)的能量關(guān)系、疊加原理和互易原理；行波解和平面波展開(kāi)，初步介紹聲波方程的行波解，重點(diǎn)在平面波展開(kāi)方法；平面波在平面界面上的反射和透射，關(guān)注的重點(diǎn)是瞬態(tài)或者有限寬波束平面波的反射和透射；最后一節(jié)，介紹聲波的度量、測(cè)量和分析方法。1.1 聲波方程 當(dāng)流體中某個(gè)流體元Q受到外界的擾動(dòng)（如受到周期性外力的作用）而壓縮和膨脹時(shí)（引起流體元的壓力、密度或者溫度的變化），由于流體的壓縮性，與Q毗鄰的流體元W必定做相反的運(yùn)動(dòng)（膨脹和壓縮），W的膨脹和壓縮又引起與其毗鄰的點(diǎn)H的壓縮和膨脹，等等，這樣，流體元Q受到的擾動(dòng)（壓力、密度或者溫度的變化）就以波動(dòng)的形式向外傳播，形成所謂的聲波。因此，聲傳播過(guò)程是流體運(yùn)動(dòng)的特別形式，其運(yùn)動(dòng)方程完全由流體力學(xué)方程簡(jiǎn)化而來(lái)，值得指出的是，流體元在數(shù)學(xué)上是一個(gè)幾何點(diǎn)，可以用空間坐標(biāo)表示，但在物理上仍然包含1023個(gè)分子，使宏觀的熱力學(xué)關(guān)系在流體元Q中成立。這樣的近似稱(chēng)為連續(xù)介質(zhì)近似，本節(jié)我們首先討論流體運(yùn)動(dòng)的兩種基本的描述方法，然后導(dǎo)出聲波傳播和激發(fā)所滿足的方程。1.1.1 Lagrange坐標(biāo)下的波動(dòng)方程 理想流體的宏觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由流體元的密度、速度矢量（或者位移矢量）、所受到的壓力（或者壓強(qiáng)）和所具有的溫度（或者熵）完全確定，尋找這些物理量隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律是流體力學(xué)的基本任務(wù)，為了尋找這些變化規(guī)律，首先介紹流體運(yùn)動(dòng)的兩種描述方法，即Lagrange方法和Euler方法。

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《現(xiàn)代聲學(xué)科學(xué)與技術(shù)叢書(shū):聲學(xué)原理》編輯推薦：聲學(xué)是研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收及其效應(yīng)的科學(xué)，屬于物理學(xué)的一個(gè)分支。聲學(xué)具有極強(qiáng)的交叉性與延伸性，它與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的大部分學(xué)科發(fā)生了交叉，形成了若干豐富多彩的分支?！冬F(xiàn)代聲學(xué)科學(xué)與技術(shù)叢書(shū):聲學(xué)原理》可作為理工科高年級(jí)本科生和研究生的教材，也可作為聲學(xué)研究工作者和技術(shù)人員的參考書(shū)。

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