現代聲學的研究及應用是及其廣泛的，小到一個音樂耳機的質量，大到汽車的噪聲處理，甚至潛艇在水下的隱身性能，都與聲學有著密切的關系。今天大家就和牛博士一起來窺探一下聲學的神秘吧。

美國蘋果公司的聲學實驗室，用來測試iPhone，iPad等設備

現代聲學

雖然整個聲學是以物理定理為基礎而建立的，但物理聲學（Physical Acoustics）作為聲學的基本分支有別于其它聲學分支，其所涉內容屬于基礎性的，其所關心的是聲傳播的基本現象和規律，包括聲反射、折射、透射、干涉、衍射、散射、吸收，物質的聲學性質，以及聲與物質的相互租用，等等。所以，物理聲學構成了聲學的內核。其它聲學分支大多從物理聲學分化發展而來的，并形成了各自專業的特色，且具有不同程度的工程與應用的特點。

經典聲學本質上是物理聲學，它以物理學的方法和理論，研究聲學的基本問題。物理聲學以波動理論為基礎，因此之故，早期把波動聲學視為物理聲學，以有別于與之相對的幾何聲學。近代以來，凡聲學問題，大多以波動理論為基礎的，若再把物理聲學與波動聲學等價，則未免把物理聲學涵蓋及整個聲學學科，似有不妥。

從經典聲學發展到現代聲學，物理聲學之內涵雖處于不斷演進之中，但作為聲學學科之核心，它始終以聲現象的物理機理和規律作為其基本的研究對象和范疇，其中涉及兩個兩方面。

其一，凡聲學中所涉及的聲學基本問題，均屬于物理聲學的研究對象。當代物理聲學的前沿研究領域包括，周期和復雜聲學介質的聲的傳播（反射、散射、透射、折射等），振動與聲的非線性和聲孤立子現象，極端環境或條件下的聲奇異現象，等等。此外，其它聲學分支的部分基礎性研究內容，也屬于物理聲學。例如，水聲學雖然獨立于物理聲學，但是涉及聲在海洋復雜環境下傳播等問題，當屬于物理聲學無疑。生物醫學超聲學也是獨立的聲學分支，其研究的重點是超聲在生物醫學診斷與治療上的具體應用；但是，關于超聲在諸如生物媒質這樣的復雜介質中的傳播問題仍然是物理聲學的研究內容。又譬如，室內聲學和建筑聲學已然稱為建筑科學中的特色聲學研究內容，但其諸如室內室內物體的散射、壁面吸收對混響的影響等問題，也可以視為物理聲學的研究內容。

潛艇在水中的噪聲與隱身性能

其二，凡物理學中與聲學有關的基礎性問題，也是物理聲學的研究焦點。氣泡在超聲作用下的發光現象，是與聲密切相關的光物理現象，當屬于物理聲學的研究對象。又如，新材料的聲學性質及其聲學特征刻畫等，也是物理聲學的研究對象。

隨著現代聲學的發展，物理聲學作為聲學之”母“，必將孕育出更多的特色鮮明的學科分支，從而豐富聲學內涵，擴大學科體系。

非線性聲學

聲波是媒質因膨脹壓縮交替而引起的機械擾動。因此擾動，媒質的密度、壓強和溫度等物理量均隨之而變。如果擾動甚微，則聲學量（=物理量的瞬時值 - 無擾動時的值）是小量，聲學量之間呈線性關系，支配聲波運動的方程也是線性的。由此建構的聲學理論，就是線性聲學（Linear Acoustics）。但是，假如這些聲學量的變化幅度非小量，而是有限的，甚至相當大，則聲學量之間不再呈線性關系，支配聲波運動的方程也不再是線性的，據此建構的聲學就是非線性聲學（Nonlinear Acoustics）。

一位樂手正在聲學實驗室測試

流體中支配聲波運動的是三個基本方程：運動方程，連續性方程和狀態方程，它們實際上都是非線性的。以無聲擾動時處于靜態的理想流體為例，聲壓p與流體質質點振動速度v服從如下方程，

 

其中ρ為瞬時流體質量密度，κs為瞬時媒質體彈性系數，第一個方程集成了物態方程和連續性方程，第二個方程是運動方程。可見，它們皆為非線性方程。所以，聲波本質上是非線性的，聲學的精確理論也應該是非線性聲學。只有當密度變化p和v均是微小量時，ρ和κs可分別用靜態常數值ρ0和κs0取代，方程中的非線性項可以拋棄，從而得到線性化的方程，

在通常的可聽聲強度下，線性聲學足以準確地描述聲波的運動規律。

因此，非線性聲學是關于有限幅度或大幅度聲現象的學問。非線性聲現象普遍存在，如聲共振腔內的駐波聲場，各種爆炸聲，發動機附近的震耳欲聾的聲，等等。按理，非線性聲學應該涵蓋在物理聲學之內。但是，非線性聲學內容極其豐富，范圍極其廣闊，因此獨立形成聲學的分支學科。

聲的非線性與媒質密切相關。有些媒質（如空氣，生物軟組織等）中易于形成大振幅非線性聲波，而在有些媒質（如水）較難形成非線性聲。

在非線性聲學中，很多熟知的概念必須更新；例如，聲速不再是一個常數，而是與媒質質點的運動速度成正比；聲波的波形在傳播過程中不再恒定（除了衰減之 外），而是隨著傳播距離的增加而發生畸形，甚至在極端情形下形成沖擊聲波；氣泡在聲作用下，發生強烈的非線性空化現象，等等。

由于非線性聲波不再滿足疊加原理，大大增加了處理此類問題的數學難度，故非線性聲學的發展遠不如線性聲學成熟完善。迄今，非線性聲學尚處于發展階段，是聲學中最具挑戰性的前沿基礎研究方向。

聲學領域常用的數值模擬方法

用于高質量音響的聲學仿真

聲學領域中基于物理原理的數學模型：

• 有限元(FEA )

• 邊界元(BEA )

• 聲線法(RAY&BEAM TRACIN G)

• 統計能量分析(SEA )

• 雜交方法 Hybrid Method

1. 有限元法和邊界元法

• 基于波動方程

• 適用于中低頻段

• 模態密度小

2. 統計能量法和聲線聲錐法

• 統計能量法基于能量流法

• 聲線聲錐法基于幾何聲學v適用于中高頻段

• 模態密度大

聲學仿真軟件：

1. 基于有限元法的聲學軟件

• 有限元模型是將求解區域劃分為有限個單元網格, 用有限的網格去逼近連續的媒質。

• 有限元方法適用于室內噪聲分析。

• 可以運用有限元模擬各種聲學介質，譬如流體、穿孔板等。計算固有頻率，聲模態，計算在頻域、時域上的空腔的聲模態和聲振耦合響應，并且考慮流體效應。

相關的常用聲學軟件:

• WELSIM 聲學模塊

• LMS.Virtual.Lab結構有限元，聲學有限元及其耦合

• VA ONE.Rayon有限元方法

2. 基于邊界元法的聲學軟件

• 邊界元模型是一種將區域型問題轉化為邊界型問題的方法

• 邊界元一般先將區域表面分割為多個單元, 然后求出各個單元的聲壓值和聲壓的法向導數值

• 根據求解區域的不同, 邊界元模型分為直接邊界元(DBEA )、間接邊界元( IBEA ) 和瑞利法三種

• 直接邊界元法只適用于求解具有封閉曲面的內部和外部問題

• 方程中的未知函數就是所求物理量在邊界上的值

• 間接邊界元法具有廣泛的適用范圍, 可用于開口、閉口或相交的表面, 對于封閉的表面, 該方法可同時解決內部和外部的問題

• 瑞利法是利用無限大障板上的活塞聲輻射模型, 該模型的物理意義最為直觀, 它先將輻射體表面離散, 每個單元被看成聲輻射活塞, 設法得到每個單元的振動速度, 并求出此活塞在聲場中任意一點產生的聲壓, 最后求出各個單元的在這一點的聲壓總和

3. 基于統計能量分析的聲學軟件

• 統計能量分析方法是從能量的角度來分析復雜結構在外載荷作用下的響應

• 可以成功預測耦合結構元件和聲學容積的噪聲和振級, 也能很好地解決聲場與結構間的耦合問題

• 對于受高頻、寬頻帶隨機激勵的復雜結構動力響應及其噪聲輻射問題, 用統計能量法更為有效

4. 基于聲線和聲錐模型的聲學軟件

• 聲線法是基于幾何聲學的方法 , 當聲波的頻率較高, 即聲波的波長小于房間中的反射面時, 可以用幾何光學中反射面的概念把聲的傳播看成是沿聲線傳播的聲能, 此過程中忽略聲的波動性能

• 聲線模型的使用條件是反射面尺寸遠大于聲波的波長, 而同時反射面的粗糙度遠小于波長

• 幾何聲學使用聲線或聲錐跟蹤的方法計算聲的傳播過程, 可用于封閉、半封閉或完全開放的空間

• 此方法假設空間每個具有確定功率的聲源可向各個方向或具有一定指向性地向外輻射聲音

• 聲源之間可以相關也可以不相關

• 從每個聲源發出的聲線或聲錐在每個接觸的壁面上發生鏡面反射, 其損失的聲能量由每個表面的吸聲特性決定

• 通過每個聲接收點的聲接收情況, 可以求出該點處隨頻率變化的穩態聲壓級

其他方法

• 能量有限元法，Energy Finite Element Method

• 能量邊界元法，Energy Boundary Element Method

• 雜交方法，Hybrid Method (FEA+SEA)