声波对海洋生物影响实验中的若干声学问题

    引言

    声学是研究机械波在物质空间中的产生、传播、接收及应用的一门古老学科,也是一门发展的学科,随着科学技术的发展,它已渗透到其他许多自然科学领域中,推动了许多边缘学科的新生和发展。近年来,声波对海洋生物的影响这一课题已引起国内外声学界和生物界学者的兴趣和重视。文献(1-7)报道了这方面的研究。本文由声学的角度,结合我们的实验情况,阐明声波对海洋生物的影响实验中应注意的若干声学问题,以求得声波对海洋生物影响能有更好的声学效应。

    1　声波在介质中的传播

    1.1　声波的散射与绕射

    声波在传声介质中传播,如果传声介质的声特性阻抗到处是均匀不变时,那么声波在介质中的传播方向将保持不变。当声波传播到两种声特性阻抗不同的介质界面时,若遇到尺度可与声波的波长比拟或小于声波波长的界面就会产生散射与绕射现象。声波绕向远小于声波波长的界面后边的现象称为绕射现象。

    在研究次声波对海洋生物影响的实验中,如果将电声换能器放置于实验缸的水面上方,此时换能器发射出的次声波由空气介质传播到实验缸的水面时,空气的声特性阻抗远小于水的声特性阻抗。假设换能器在空气中发射出的次声波的频率f=15Hz,空气的声速为330m/s,那么次声波在空气中的波长,如果实验缸的界面尺寸不远大于22m,那么,换能器在空气中发射出的次声波就不能进入实验缸的水面而产生绕射现象,实验缸里的水生生物就得不到声波的作用。

    1.2　声波的反射

　　当声波传播到两种声特性阻抗不同的媒质界面,即Z1≠Z2时;若该界面的尺度远大于声波波长时,声波在两种媒质的分界面将发生部分反射,反射波仍回到第一种介质中,声波的其余部分将进入第二种介质,如图1所示。

    由声学原理可知;声压的反射系数rp和透射系数tp分别为〔8〕

    式中pi为入射波声压,pr为反射波声压。pt为透射波声压,Z1=Q1c1第一种介质声特性阻抗Z2=Q2c2,第二种介质的声特性阻抗,c1,c2分别为第一、二种介质的声速。Q1,Q2分别为第一、二种介质的密度。

    当声波由第一种介质垂直入射到第二种介质时,则Hi=Hr=Ht=0;(1)式简化为:

    因声强与声压的平方成正比,我们由公式(2)可得出声波垂直入射时声强的反射系数和透射系数分别为

    如果在研究超声波对海洋生物影响的实验中,将换能器置于实验缸水面上方,声波由空气垂直入射到实验缸,空气的声特性阻抗Z1为0.00042×105gcm-2s-1,水的声特性阻抗Z2=1.5×105gcm-2s-1,由公式(3)可得出声强反射系数rID1,声强透射系数tID0,声波能量在空气与水介质的分界面上几乎全部被反射,只有微不足道的声能由空气透射到实验容器的水中。