聲學理論的一個創新

姜海東等

摘 要：一百多年前英國物理學家瑞利（Rayleigh）提出的多孔材料吸聲理論與實驗結果吻合程度不高。為此，張新安提出一種全新的吸聲理論。該文通過實測結果與理論結果的對比，進一步證實了該吸聲理論的正確性。

關鍵詞：聲學理論 吸聲理論 測試方法 創新

中圖分類號：O42 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0198-02

Abstract：Rayleighs porous sound absorption theory which have been put forward one hundred years ago is not well justified by experimental results. For this reason， xin-an zhang establish a new sound absorption model.Our further works prove that zhangs theory is consistent with test results.

Key Words：Acoustic；Sound absorption theory；The test method；Innovation

聲學是物理學的一個重要分支，也是最有發展前景的一個學科。從伽利略（Galileo Galilei）開始，介入聲學研究的幾乎是歐洲所有的重要物理學家和數學家-當時稱為哲學家。其中包括：胡克（Robert Hooke）、牛頓（Sir Issac Newton）、歐拉（Lonhard Eule）、拉普拉斯（Pieere Simon Laplace）、泰勒（Brook Taylor）、伯努利（Danial Bernoulli）、達朗貝爾（Jean la Rand dAlamert）、泊松（Simon Denis Poisson）、黎曼（Georg F.B. Piemann）、亥姆霍茲（Helmholtz）、歐姆（Georg Simon Ohm）、玻爾茲曼（Boltzmann）和托普勒（A.Toepler）等。

到了19世紀末，英國大物理學家瑞利（Lord Rayleigh）在其名著《聲的理論》中總結了300年的重要成果，集聲學理論之大成。瑞利是1904年諾貝爾獎得主，其在光學和流體力學領域都有杰出貢獻。當時的科學界聲稱，聲學已發展到了極點，問題都解決了。之后，聲學轉向應用研究。在工程師賽賓的混響公式發明之后，第一個重要的聲學分支-建筑聲學得以建立。而其對于吸聲材料的研究后來又應用到了噪聲控制領域。

盡管瑞利是一個偉大的物理學家，但其研究領域過于廣泛。因此，難免對某些問題的看法不切合實際。瑞利關于聲波在多孔材料中的傳播理論一直得不到充分的實驗驗證。目前，多孔材料的聲吸收理論仍然停留在實驗分析階段。原因是瑞利理論與實驗相吻合度不高。

2005年開始，張新安在其博士論文研究發現，頻率越高吸聲系數越高的現象并不出現在駐波管內。而只有駐波管內的聲波運動才可以做相對準確理論分析。他發現，多孔材料的吸聲隨頻率的增加呈現波浪式變化，即有很多峰值。他在總結出這種頻譜的變化規律有提出了一個能夠很好描述實測規律的經驗公式，這其中現代計算機的應用在分析中起了很大作用。2006年他應邀前往英國參加第12屆國際低頻噪聲會議（英國）并宣讀論文。該項成果獲得專家的好評。

進一步分析后他發現多孔材料的吸聲并非像瑞利所說的那樣由材料中的微孔對聲波的粘滯作用所產生。而是來自于材料自身在聲波作用下的振動消耗。由此建立起來的理論模型和公式與實測結果吻合很好。該項研究的論文在中國科技論文上發表后獲得評審專家的較高評價。2008年他應邀參加08巴黎世界聲學大會并宣讀該論文。也得到了歐洲噪聲控制委員會主任委員，英國赫爾大學（University of Hull）終身教授Keith Attenborough的較好評價。

然而，在2008年之后的有關吸聲材料的各種專著和教材中，我們并沒有發現對張新安這一研究成果的介紹和對其吸聲系數計算公式的引用。

作為大學生創新創業項目的內容，我們希望根據自己的測試結果對張新安的理論公式進行進一步驗證。

1 測試方法和測試材料

該實驗中，我們使用SW002-US 302USB駐波管雙聲道聲學測試系統測量了棉纖維層，太空棉層，幾種非織造的吸聲頻譜。采用YG461E/Ⅱ型數字透氣量儀測量材料透氣量。

2 傳統理論和新理論簡介

傳統理論[1-8]：

多孔性材料含有大量微孔和縫隙。材料薄時，吸聲特性主要由黏滯損失和其表面密度決定。但如厚度接近或超過波長，聲波在其中傳播的距離較長，就要考慮到空氣黏滯性和熱傳導作用。多孔性材料的固體骨骼在空氣聲中一般當做硬骨骼，因為空氣的聲阻抗率很小，骨骼不隨之振動。所以討論空氣中的多孔性材料時，只討論其中空氣的運行。

文獻[2]還給出了幾種特殊情況下的多孔材料聲阻抗公式。

然而，根據資料檢索，目前尚未發現上述理論計算結果和實驗結果的對比情況[1-8]。

張氏吸聲理論發現，從準確的測試結果看，傳統理論所認為的吸聲系數隨頻率的增加呈現逐漸增大的趨勢，只發生在材料背后的空腔距離小于5 cm時的特殊情況下。而在其他多數情況下，多孔材料的吸聲隨頻率的增加呈現波浪式變化，即有很多峰值。因此傳統理論在多數情況下與實驗并不吻合。

3 測試結果對比

4 結論和展望

根據測試結果，我們初步認定，張新安的振動吸聲系數計算公式與實測結果吻合較好。另外，張新安最近還將其在聲學研究中的另一個發現?—聲波可以產生負壓強的概念引入天體物理領域。初步解釋了宇宙暗能量的來源問題[9-10]。我們希望張新安在其研究的道路上越走越遠。

參考文獻

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