等离子体声学

物理学名词

等离子体声学在历史上，关于等离子体中的波动问题长期没有得到应有的注意，因为人们认为它在天体物理学、气体放电、受控热核反应这些等离子体研究的主要领域中并不占重要地位。

简介

等离子体声学主要研究等离子体中那些性质上可看成是声的发生、传播和接收的动力学现象。它是一门新近发展起来尚未完全定型的学科。它的建立不仅对声学领域的完整──把声学扩展到物质第四态──是必要的，而且对于等离子体动力学的发展也是关键性的，因为对波动现象的研究提供了理论与实验相联系的唯一环节，同时也提供了探测等离子体的重要手段。

发展

波传播问题第一个最重要的发展是在电离层物理方面取得的。1931年D.R.哈特里提出无线电波通过大气层中E电离层反射的完整理论。另一个最重要的贡献是H.阿尔文在研究宇宙电动力学时给出的，他于1942年发现类似于弹性弦上横波的磁流体动力波（见等离子体中的波）。

与中性气体中的声波不同，在等离子体中，外加电场和磁场以及气体本身由于运动而产生的相应的力和场导致复杂的动力学现象，这些现象在很大程度上依赖于气体的电离度。

在弱电离气体中，寻常声波的作用迫使离子和电子随着数量上占绝对优势的中性粒子一起运动。带电粒子从外加电场吸收能量并将其中一部分传递给中性粒子，这不仅使中性气体受热还使它电离。以这种方式生成的带电粒子在某些条件下以波的形式在气体中传播。这种气体的动力学与中性气体没有什么不同,声速也一样,即由中性气体中的热运动速度确定。

从声学观点来看，等离子体与中性气体混合物之间的基本差别在于：前者与电磁场之间的耦合作用非常强而后者非常弱(仅由压电效应引起)。实际上，等离子体不仅受电磁场控制，而且其存在通常也依赖于电场。电子从维持放电的外电场吸收能量，而其能量损失（主要是通过弹性碰撞传递给中性粒子）依赖于电子的平均速率或温度；在电子的一个特定温度下，能量的得失达到平衡。同中性气体的情况相反，等离子体中各气体成分的稳态温度差别很大，电子温度比离子温度和中性气体温度高得多（有时达数千倍）。由于这一温度差，存在着从电子到中性气体成分的连续能流，如使这种能量传递随着时间变化，声音就在中性气体成分中产生。寻常辉光放电中引进的辉纹（电离波）和等离子体余辉（指电场关闭后等离子体的衰变周期）都是造成这类声发生的重要例子。

等离子体也可以对声波起“放大”作用。因其中的自由电子表现为供给气体附加热能的恒定源，当这源同外加声波耦合时，就可发生使电子能量转换为声能的正反馈。

在强电离气体中，中性粒子的影响可以忽略，而主要是热运动速率以至温度都不相同的离子和电子。因此不再存在一个可以近似认为与声速相等的唯一热运动速率。但由于电子压力pe通常远大于离子压力pi，而离子密度ρi远大于电子密度ρe，所以仍可将强电离气体中寻常声波的速度写为形式(γ为一适当的比热容比)。在这种通常称作离子声波的模式中,离子提供惯性而电子提供恢复力。这种模式中不存在电荷分离，而波动表现为密度起伏和相应的温度变化。

另一种纵向振动方式──等离子体振荡──则以电荷分离为特征：若电子因扰动而偏离其平衡位置，就在电子与离子间建立起电场，并在发生位移的电子上形成一与位移成正比的恢复力，从而发生振荡。等离子体振荡的阻尼除了由电子流体中的粘性应力和热传导引起以外，还与电子被这种振荡所产生的行进周期性势阱俘获有关。后一部分称作朗道阻尼，依赖于电子速度分布函数的形式。

当存在磁场时,等离子体成为各向异性的,因而波动现象更为复杂。等离子体声学只限于讨论低频现象，这时可以略去电荷分离效应，而磁场的效应等效于一个各向同性的磁压分量B2/2和一个沿磁力线方向每单位面积上的拉力B2。在电导率为无限大的极限情形下，磁场与流体速度场之间的耦合非常强，以致磁力线随着流体一起对流，就像是被“冻入”流体之中似的。上述这些重要的运动特征即意味着流体中存在一种大体与拉紧的弦上的波相似的横波，这就是上文所提到过的阿尔文波。

磁场对在导电流体中传播的声波的影响当传播方向与磁场方向垂直时最大，而当二者一致时没有影响。由于耦合作用，磁场对流体中粒子的运动提供一附加恢复力，从而使声速增加。而声波的衰减与频率同电导率的比值有关，当这比值趋于零和无穷大时衰减都为零，而当这比值取1的数量级时衰减达到极大值。

当磁场B方向与波矢k成任意角度θ时，存在三种可能的特征运动方式，这取决于流体速度是平行于还是垂直于(B，k)平面。在平行的情况下，波的振动方式是既包含横向运动（阿尔文波）也包含纵向运动（声波）的耦合波，它们按所包含横向成分和纵向成分的主次地位可分为两类：带有少许声波的阿尔文波和带有少许阿尔文波的声波；在垂直情况下，简单地就是阿尔文波，只是其波速为流体中的特征阿尔文速率乘以因子cosθ。

参考书目

T.J.M.博伊德、J.J.桑德森同著，戴世强、陆志云译：《等离子体动力学》，科学出版社，北京,1977。(T.J.M.Boyd and J.J.Sanderson,Plasma Dynamics,Nelson, London,1969.)

P.M.莫尔斯、K.U.英格特著，杨训仁等译：《理论声学》，下册，第12章，科学出版社，北京,1986。(P.M.Morse and K.U.Ingard,Theoretical Acoustics,Chap.12, McGraw-Hill,New York, 1968.)

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