声学理论的一个创新

姜海东等

摘 要：一百多年前英国物理学家瑞利（Rayleigh）提出的多孔材料吸声理论与实验结果吻合程度不高。为此，张新安提出一种全新的吸声理论。该文通过实测结果与理论结果的对比，进一步证实了该吸声理论的正确性。

关键词：声学理论 吸声理论 测试方法 创新

中图分类号：O42 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0198-02

Abstract：Rayleighs porous sound absorption theory which have been put forward one hundred years ago is not well justified by experimental results. For this reason， xin-an zhang establish a new sound absorption model.Our further works prove that zhangs theory is consistent with test results.

Key Words：Acoustic；Sound absorption theory；The test method；Innovation

声学是物理学的一个重要分支，也是最有发展前景的一个学科。从伽利略（Galileo Galilei）开始，介入声学研究的几乎是欧洲所有的重要物理学家和数学家-当时称为哲学家。其中包括：胡克（Robert Hooke）、牛顿（Sir Issac Newton）、欧拉（Lonhard Eule）、拉普拉斯（Pieere Simon Laplace）、泰勒（Brook Taylor）、伯努利（Danial Bernoulli）、达朗贝尔（Jean la Rand dAlamert）、泊松（Simon Denis Poisson）、黎曼（Georg F.B. Piemann）、亥姆霍兹（Helmholtz）、欧姆（Georg Simon Ohm）、玻尔兹曼（Boltzmann）和托普勒（A.Toepler）等。

到了19世纪末，英国大物理学家瑞利（Lord Rayleigh）在其名著《声的理论》中总结了300年的重要成果，集声学理论之大成。瑞利是1904年诺贝尔奖得主，其在光学和流体力学领域都有杰出贡献。当时的科学界声称，声学已发展到了极点，问题都解决了。之后，声学转向应用研究。在工程师赛宾的混响公式发明之后，第一个重要的声学分支-建筑声学得以建立。而其对于吸声材料的研究后来又应用到了噪声控制领域。

尽管瑞利是一个伟大的物理学家，但其研究领域过于广泛。因此，难免对某些问题的看法不切合实际。瑞利关于声波在多孔材料中的传播理论一直得不到充分的实验验证。目前，多孔材料的声吸收理论仍然停留在实验分析阶段。原因是瑞利理论与实验相吻合度不高。

2005年开始，张新安在其博士论文研究发现，频率越高吸声系数越高的现象并不出现在驻波管内。而只有驻波管内的声波运动才可以做相对准确理论分析。他发现，多孔材料的吸声随频率的增加呈现波浪式变化，即有很多峰值。他在总结出这种频谱的变化规律有提出了一个能够很好描述实测规律的经验公式，这其中现代计算机的应用在分析中起了很大作用。2006年他应邀前往英国参加第12届国际低频噪声会议（英国）并宣读论文。该项成果获得专家的好评。

进一步分析后他发现多孔材料的吸声并非像瑞利所说的那样由材料中的微孔对声波的粘滞作用所产生。而是来自于材料自身在声波作用下的振动消耗。由此建立起来的理论模型和公式与实测结果吻合很好。该项研究的论文在中国科技论文上发表后获得评审专家的较高评价。2008年他应邀参加08巴黎世界声学大会并宣读该论文。也得到了欧洲噪声控制委员会主任委员，英国赫尔大学（University of Hull）终身教授Keith Attenborough的较好评价。

然而，在2008年之后的有关吸声材料的各种专著和教材中，我们并没有发现对张新安这一研究成果的介绍和对其吸声系数计算公式的引用。

作为大学生创新创业项目的内容，我们希望根据自己的测试结果对张新安的理论公式进行进一步验证。

1 测试方法和测试材料

该实验中，我们使用SW002-US 302USB驻波管双声道声学测试系统测量了棉纤维层，太空棉层，几种非织造的吸声频谱。采用YG461E/Ⅱ型数字透气量仪测量材料透气量。

2 传统理论和新理论简介

传统理论[1-8]：

多孔性材料含有大量微孔和缝隙。材料薄时，吸声特性主要由黏滞损失和其表面密度决定。但如厚度接近或超过波长，声波在其中传播的距离较长，就要考虑到空气黏滞性和热传导作用。多孔性材料的固体骨骼在空气声中一般当做硬骨骼，因为空气的声阻抗率很小，骨骼不随之振动。所以讨论空气中的多孔性材料时，只讨论其中空气的运行。

文献[2]还给出了几种特殊情况下的多孔材料声阻抗公式。

然而，根据资料检索，目前尚未发现上述理论计算结果和实验结果的对比情况[1-8]。

张氏吸声理论发现，从准确的测试结果看，传统理论所认为的吸声系数随频率的增加呈现逐渐增大的趋势，只发生在材料背后的空腔距离小于5 cm时的特殊情况下。而在其他多数情况下，多孔材料的吸声随频率的增加呈现波浪式变化，即有很多峰值。因此传统理论在多数情况下与实验并不吻合。

3 测试结果对比

4 结论和展望

根据测试结果，我们初步认定，张新安的振动吸声系数计算公式与实测结果吻合较好。另外，张新安最近还将其在声学研究中的另一个发现?—声波可以产生负压强的概念引入天体物理领域。初步解释了宇宙暗能量的来源问题[9-10]。我们希望张新安在其研究的道路上越走越远。

参考文献

[1] Jiang，Sheng （Key Laboratory of Textile Science and Technology， Ministry of Education，Donghua University，Shanghai，China）； Xu，Yunyan；Zhang，Huiping； White，Chris Branford；Yan， Xiong Seven-hole hollow polyester fibers as reinforcement in sound absorption chlorinated polyethylene composites.Applied Acoustics，v 73，n3，p 243-247， March 2012.

[2] （澳）D.A.比斯，著.C.H.汉森.工程噪声控制—理论和实践（Engineering Noise Control：Theory and Practice）[M].4版.丘小军，译.北京：科学出版社，2013：258-264，580-594.

[3] 马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2004：210-237.

[4] 马大猷.噪声与振动控制手册[M]北京：机械工业出版社，2002：395-443.

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[9] Zhang，Xin-an.Dark energy of sound wave and the universe[J].International Journal of physical science，2013（3）.

[10] Zhang，Xin-an.Universe with Boundary & without Singularity[J].Prespacetime Journal，2014，5（8）.