声衰减 基本概念 ：声衰减是指声波在介质中传播时，其 声强 或 声压 随传播距离增加而逐渐减弱的现象。这种减弱意味着声波携带的机械能被逐渐消耗或转移，并非声波本身的消失。所有真实介质（空气、水、固体等）中的声波都会发生衰减。 衰减的原因（机制） ：声能损失主要源于三种物理机制，它们常同时作用： 吸收 ：这是最重要的一种机制。声波引起介质质点振动，由于介质的 粘滞性（内摩擦） ，部分声能不可逆地转化为热能。此外，在气体中，分子振动自由度间的能量交换（称为 热传导 和 分子弛豫 ）也会消耗声能。在液体和固体中，微观结构的摩擦和热弹性效应是主要吸收机制。 散射 ：当声波在传播路径上遇到不均匀结构（如气体中的湍流、液体中的气泡或颗粒、固体中的杂质或晶界）时，部分声能会改变方向，向四周传播，这称为 声散射 。散射导致原始传播方向上的声能减少。散射体尺寸与声波波长可比时，效应最显著。 扩散 ：对于从 声源 发出的球面波，即使介质完全均匀无损耗，声波前面积会随距离平方增大，导致单位面积上的能量（即 声强 ）自然减小。这种由几何扩散引起的减弱严格来说不属于衰减的“损耗”范畴，但常在实际声场分析中一并考虑。 数学描述——衰减系数 ：为了量化衰减，在平面波假设下，声压随距离 x 的衰减通常用指数模型描述： p(x) = p0 * e^(-αx) 其中 p0 是初始声压， α 是 声压衰减系数 ，单位是奈培每米（Np/m）。更常用的单位是分贝每米（dB/m）。衰减系数 α 是吸收系数与散射系数之和。分贝形式的衰减量（相对于初始声压）为： 衰减量(dB) = 20 * log10(p0/p(x)) = 8.686 * α * x 。 衰减与频率的关系 ：衰减系数 α 强烈依赖于声波频率。对于大多数介质： 吸收 ：在均匀介质中，粘滞吸收导致的衰减系数通常与频率的平方成正比（ α ∝ f² ）。分子弛豫吸收则会在特定频率范围出现衰减峰值。 散射 ：散射衰减与频率的关系复杂，取决于散射体的尺寸分布。通常，当散射体远小于波长时，散射衰减与频率的四次方成正比（瑞利散射， α ∝ f⁴ ）；当散射体与波长相当时，关系复杂；当散射体远大于波长时，衰减趋于与频率无关。 因此， 高频声波比低频声波衰减得快得多 。例如，在空气中，超声波传播几十米就可能几乎消失，而低频声波（如雷声）可以传播数公里。 应用与实例 ： 环境声学 ：解释为什么远处的声音听起来更弱且更沉闷（高频成分衰减更快）。 水下声学 ：声呐系统设计中必须精确计算声波在海水中的衰减（主要受盐度、温度、压力和生物悬浮物影响），以确定有效探测距离。 医学超声 ：超声波在人体组织中传播时会发生衰减，不同组织（如肌肉、脂肪、骨骼）的衰减特性不同，这既是成像的基础（通过回波强度差异），也限制了探测深度和需要补偿（时间增益补偿）。 材料无损检测 ：通过测量超声波在材料中的衰减，可以评估材料的内部结构均匀性、颗粒度或检测缺陷（如孔隙、裂纹）。 建筑声学 ：在设计隔声或吸声结构时，需考虑声波在材料内部的衰减特性（与 吸声系数 相关）。