声学

中国有组织地进行声学研究工作是从 1956 年国家制订“十二年科学技术远景规划”后开始的。中国物理学家在水声传播理论、超声在固体中的散射、喷注噪声、空气声学和非线性声学等基础研究方面有重要的成就。在水声学方面，1956 年起，汪德昭领导和组织中国科学院声学所在中

国的近海区进行过多次水声物理综合实验，对各种典型水文条件下声音的传播、吸收、混响、散射、起伏、水下噪声等方面取得了大量数据，并总结出一些规律。60 年代初期，声学所尚尔昌、张仁和等发展了“射线-简正波理论”，在直线梯度情况下得到了由海底反射损失及射线跨度表达的简正波指数衰减因子，以后又给出了任意声速分布的简正波指数衰减系数与群速的普遍近似公式，阐明了浅海声速结构与边界条件对声场影响的规律。国外到 1971 年才得到类似结果。70 年代，尚尔昌提出了适应于高声速海底的“三参数”模型，得出过渡距离与环境参数的解析关系，用以分析传播、混响、海洋噪声，得到很好的结果。关定华等对海底反射损失随角度增加而任意单调上升的情况，在传播衰减与距离的关系和反射损失与角度关系之间得到了简单的映射关系；发展了海底声速测量方法；并提出一种海底沉积层声学遥测识别方法，得到较高的成功率。周纪浔等用射线简正波和角度谱法计算出浅海远距离混响衰减规律，改进了国外的结果；系统地提取了海底散射系数，得到对远距离混响有重要意义、而国际文献中还没有发表过的小掠海底散射系数，受到国外的重视和引用。70 年代末，张仁和等在深海研究中发展了平滑平均场理论，解决了现有方法中的发散问题，并在国际上首先提出水下声道中反转点会聚区的概念和计算方法，计算的结果与实验符合较好，证明海底反射声波也能形成会聚区。80 年代初，张仁和、金国亮提出了计算浅海混响强度较完整的理论，解决了射线理论计算远程混响及影区、焦散区的困难。在计算界面散射时，提出了可分解的海底散射模型，即海底散射系数可表示为入射角函数与散射角函数的乘积，并满足互易解。张仁和还用广义相积分近似与简正波振幅函数包络平滑的方法获得浅海平均场积分表示。用这种方法计算的声场不但精度高，而且运算速度比传统的简正波方法与抛物方程法至少提高一个数量级。80 年代初，高天赋、尚尔昌在波动传播理论中，从波动方程边值问题出发，导出了严格的简正波和广义射线表达式，证明了分层介质波导中

简正波生成的函数和广义射线生成函数之间严格满足傅立叶变换关系，并讨论了分支线在变换中的影响。这项有创建性的工作，被国际学术界称赞为是对“混合公式”新传播理论做出的重要贡献之一。80 年代中期以来，尚尔昌等还开展了浅海声场简正波过滤的理论和实验研究。他们与山东海洋学院合作，在该校的波浪水槽进行了过滤简正波的模拟实验，使用长圆柱换能器排阵，首次实现了在侧壁不消声的长 70 米的水槽中简正波的空间过滤，并观测了波浪表面对简正波场的起伏影响。从而对浅海声场起伏的机制做了很好的解释，并建立了被国际上称为“尚-相位比较法”的波动定位新理论。

80 年代，中国科学院声学所冯绍松、钱祖文等在非线性声学方面进行了理论和实验研究。钱祖文研究了非线性声波在边界上的反射，解决了斜射入这一难题，并且发现了一项新波（Q 谐波），发展了非线性声学。他们还在小水槽中观察到小振幅声波在水中出现分岔，在扰动水中出现了二分频波，并研究了脉冲参量阵的性质、参量阵辐射近场，提出新的近场处理方法，并得到了脉冲参量阵的最佳设计原则。

在超声学方面，1956 年中国科学院声学所应崇福与美国同行合作发表了论文《各向同性弹性体内球形障碍物对平面纵波的散射》，被国际上认为是固体中散射研究的开创工作，并被广泛引用。70 年代末应崇福在国内组织该项研究，在理论方面首次给出带状裂缝脉冲散射声场的普遍解；用新方法计算了声波平面界面上的反射及散射问题；在实验方面用“动态光弹显示技术”和首创的样品加工技术能直接观察声波在透明固体中传播和散射过程，首次观察到薄板中的兰姆波及其散射现象和固体内沿空腔的爬波，并相应地进行了理论分析。60 年代，汪承灏等在超声空化方面首先发现了空化电磁辐射，通过实验促进了对声发光、空化压力效应的正确了解，并揭示了相分散作用的空化机理。1979 年起，应崇福、李明轩等研究了检测用超声压电换能器在脉冲状态和固体负载下的瞬时行为，首次提出了压电换能器的“声电再生”机理；第一次从实验和理论上阐明了固体介质中圆换能器的声场由直达波和边缘纵、横波组成；发现和分析了发射时瞬态波形中的应电压等。这些研究在学术和应用上都有重要意义。80 年代，声学所还开展了表面波理论、声表面波在沟槽反射栅散射理论方面的研究。汪承灏等建立了压电晶体表面上广义激发所产生弹性波场的统一普适理论，并给出了压电晶体表面上换能的全面描述和普适的二维面换能器理论。他们还研究了声表面波在表面不均匀结构（包括槽和金属条带）的散射以及在表面栅阵上的衍射，首次提出了纯声学的频谱分析器和声表面波弹性卷积器的原理及其结构，建立了有负载条件下的广义变幅器理论，提出纵向-弯曲复合振动系统和盘形聚能器的设计理论。

在空气声学方面，50 年代马大猷在建筑声学基础研究领域曾继续研究了简正振动方式理论，得到其方向分布及其引起室内声场的统计分布，提出了用水平面内的方向性扩散作为厅堂音质第二评价标准，并为此发展了在水平面内的指向声透镜。1976 年，马大猷提出的微孔板吸声结构属于国内外首创。利用微孔内空气的摩擦消耗声能，后面不必填充吸声材料，他由此提出了微穿孔板吸声理论，并得到广泛应用。他还和李佩滋等系统地研究了喷注噪声的产生、辐射及其抑制，推广了表示喷注噪声功率与喷注速度关系的 Ligthill 的理论，扩大了适用范围。他们还建立了用 A 声级来

定量表示湍流喷注噪声的公式，求得了阻塞喷注中湍流速度继续随驻点压力增加的关系式，可解释阻塞喷注噪声随驻点压力改变的原因；还提出了多孔材料的阻塞出流，可用材料的有效通道面积和驻点压降描述，给出了完整的扩散消声理论曲线；研究了喷注气体分子量和温度对噪声辐射的影响；研究了冲击噪声对总噪声的贡献，提出了湍流噪声与宽带冲出噪声发生干涉的概念。这些研究成果同声学所关于环境噪声的研究成果一起，对认识噪声分布规律，控制噪声起到了重要的作用。