声散射

定义概念

声散射（sound, scattering of）是指声波在传播中遇到障碍物时，部分声波偏离原始传播路径，从障碍物四周散播开来的现象。当声波向障碍物入射时，障碍物受入射声的激励而成为一个次级声源，并将部分入射声能转换为散射声能而向其四周辐射。从障碍物四周散布开来的那部分声波称为散射声波。

理论诠释

散射声波的能量取自于入射声波，也即散射声波的能量与入射声波射到该障碍物上的能量成正比。此外，散射声波的能量及其向四周的分布同障碍物的线度与声波波长的比值、障碍物的物理性质及其结构形状等有关。散射声波向四周散布并不是均匀的，即散射声波具有一定的角分布特性。如一束平面声波入射到半径为a的一个弹性球体上时，假定此球体很小，并满足条件：

ka=2πfa/c=2πa/λ＜＜1

式中k为声波波数，f、c与λ分别为声波的频率、声速与波长。在离开小球一定的距离处，散射声波的声强分布可用一个近似的解析式来描述：

I∝I0S0(a/λ)4{[(1－gh2)/3gh2]－[(1－g)cosθ/(1+2g)]}2

式中I0代表入射声波的声强，S0=πa2，g=ρ'/ρ，h=c'/c。而ρ与ρ′分别代表传播介质的密度与弹性小球的密度，c与c′分别代表它们对应的声速，θ称为散射角。假定传播介质为空气，则可取g＞＞1，h＞＞1，从而上式可以简化为：

I∝I0S0(a/λ)4(1/3－cosθ/2)2

这时散射声波的能量分布是不均匀的，主要集中分布于与入射声波相背的半球方向。此外，从上两式还可反映出重要的声散射规律：声波散射的能量与声波波长四次方成反比，也即声波频率愈高，波长愈短，从入射声波中获取的散射能量愈多，这一规律称为瑞利散射。在光学中也有类似的规律。光学中曾用瑞利散射成功地解释了为什么晴朗的天空会呈现蔚蓝色的原因。

另一种会产生很强声散射的现象，也备受人们注意。如果声在水中传播而遇到悬浮在其中的微小气泡，则因为g＜＜1与h＜＜1，前式可简化为：

I∝I0S0(a/λ)4β

上两式相比为：

β=1/3(pc2/p′c′2)

室温下这个β值可达到几千，即水中气泡的散射作用比空气中的坚硬小球要强得多，且散射声的能量是从小气泡四周均匀散布开来的。而声散射能量是取自于入射声，因此入射声向原始方向行进的能量就会受到很大损失。说明如果水中存在很多微小气泡，就会严重干扰和阻碍声波在其中的传播。

具体应用

声波的这一散射现象已被作为一种新颖的造影剂应用于超声医学诊断成像技术中。

随着障碍物的线度与声波波长的比值变大，声散射的能量及其分布也会随之变化。例如当ka=5时空气中一个坚硬球体产生的散射声强的角分布，这时入射于该球体上的声能的大部分转换为散射声能。如果ka再进一步增大，则散射声能基本上可分为两半，一半分布于与入射声波相反方向的半空间，另一半则集中于入射波行进的方向。而这一部分声波却正好与原始入射波位相相反，以致互相叠加结果在球体背后形成较明显的声阴影，即球体已挡住了入射声波继续行进的去路。反向散射以及其他的散射声能分布特性同障碍物体的材料、结构、形状、大小等都有密切关系。现已通过声散射的特性和规律制作一种声呐系统，向水中发射声波来探测敌方鱼雷和潜艇等水中目标的行动方位，甚至可勾画出所探测目标物的轮廓。固体中的声散射现象也正在被大量揭示出来。如在钢、铝等金属材料及构件中存在伤痕、缺陷或裂缝等都构成了固体中的散射体。将声散射的研究广泛应用于材料科学等无损检测技术展现出巨大的前景。

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