直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10ˉ12瓦/米2，在1000Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10ˉ11米)，只有空气分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收确实惊人。
物理已知大气分子直径的数量级是10^-10 m 大气分子间的距离是大气分子直径的多少倍
2011-07-27 23:53 提问者采纳
这个距离比较大，一般分子间距是大气分子的十倍左右。 标准大气压，常温下1mol气体为24.4L,1mol大约有6.02×10^23个分子，那么一个分子所占空间为4.05×10^-29 m^3,则看做正方体话，边长为7.4×10^-9,因此大约是大气分子的十倍左右。
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科普资料汇编（物理学分支声学）点击率：973 作者：junxu 发表时间：2013-04-14 22:11:51声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是经典物理学中历史最悠久，并且当前仍处在前沿地位的唯一的物理学分支学科。从上古起直到19世纪，人们都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说“情发于声，声成文谓之音”，“音和乃成乐”。声、音、乐三者不同，但都指可以听到的现象。同时又说“凡响曰声”，声引起的感觉(声觉)是响，但也称为声，这与现代对声的定义相同。西方国家也是如此，英文的的词源来源于希腊文，意思就是“听觉”。世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音。三分 损益法就是把管(笛、箫)加长三分之一或减短三分之一，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦作基础。1957年在中国河南信阳出土了蟠螭文编钟，它是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律，音色清纯，可以用来演奏现代音乐。1584年，明朝朱载堉提出了平均律，与当代乐器制造中使用的乐律完全相同，但比西方早提出300年。古代除了对声传播方式的认识外，对声本质的认识也与今天的完全相同。在东西方，都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某种方式传到人耳，引起人的听觉。这种认识现在看起来很简单，但是从古代人们的知识水平来看，却很了不起。例如，很长时期内，古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的认识，一直到牛顿的时代，人们对光的认识还有粒子说和波动说的争执，且粒子说占有优势。至于热学，“热质”说的影响时间则更长，直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判。对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。从那时起直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献，而声的传播问题则更早就受到了注意，几乎2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比。1635年有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时声速为332米/秒，与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下，的确是了不起的成绩。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质等等，经过复杂而难懂的推导，求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是据此算出的声速只有288米/秒，与实验值相差很大。达朗贝尔于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空气温度不变时，牛顿对声波传导的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容的比)与密度之比，据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10ˉ12瓦/米2，在1000Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10ˉ11米)，只有空气分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收确实惊人。19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，但至今还未能形成完整的听觉理论。目前对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究。音调与频率的关系明确后，对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究。发现著名的电路定律的欧姆于1843年提出，人耳可把复杂的声音分解为谐波分量，并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下，人们开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学)，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》。在封闭空间(如房间、教室、礼堂、剧院等)里面听语言、音乐，效果有的很好，有的很不好，这引起今天所谓建筑声学或室内音质的研究。但直到1900年赛宾得到他的混响公式，才使建筑声学成为真正的科学。19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果的最后总结者是瑞利，他在1877年出版的两卷《声学原理》中集经典声学的大成，开创了现代声学的先河。至今，特别是在理论分析工作中，还常引用这两卷巨著。他开始讨论的电话理论，目前已发展为电声学。20世纪，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生接收和利用任何频率、任何波形、几乎任何强度的声波，已使声学研究的范围远非昔日可比。现代声学中最初发展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量。以后，随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学。在第二次世界大战中，开始把超声广泛地用到水下探测，促使水声学得到很大的发展。20世纪初以来，特别是20世纪50年代以来，全世界由于工业、交通等事业的巨大发展出现了噪声环境污染问题，而促进了噪声、噪声控制、机械振动和冲击研究的发展高速大功率机械应用日益广泛。非线性声学受到普遍重视。此外还有音乐声学、生物声学。这样，逐渐形成了完整的现代声学体系。现代声学的内容现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性质，也有量子性质。声学的中心是基础物理声学，它是声学各分支的基础。声可以说是在物质媒质中的机械辐射，机械辐射的意思是机械扰动在物质中的传播。人类的活动几乎都与声学有关，从海洋学到语言音乐，从地球到人的大脑，从机械工程到医学，从微观到宏观，都是声学家活动的场所。声学的边缘科学性质十分明显，边缘科学是科学的生长点，因此有人主张声学是物理学的一个最好的发展方向。声波在气体和液体中只有纵波。在固体中除了纵波以外，还可能有横波(质点振动的方向与声波传播的方向垂直)，有时还有纵横波。声波场中质点每秒振动的周数称为频率，单位为赫(Hz)。现代声学研究的频率范围为万分之一赫兹到十亿赫兹，在空气中可听到声音的声波长为17毫米到17米，在固体中，声波波长的范围更大，比电磁波的波长范围至少大一千倍。声学频率的范围大致为：可听声的频率为20～20000赫，小于20赫为次声，大于20000赫为超声。声波的传播与媒质的弹性模量，密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。测量声波传播的特性可以研究媒质的力学性质和几何性质，声学之所以发展成拥有众多分支并且与许多科学、技术和文化艺术有密切关系的学科，原因就在于此。声行波强度用单位面积内传播的功率(以瓦/米2为单位)表示，但是在声学测量中功率不易直接测量得，所以常用易于测量的声压表示。在声学中常见的声强范围或声压范围非常大，所以一般用对数表示。称为声强级或声压级，单位是分贝(dB)。声学的研究方法与光学研究方法的比较声学分析方法已成为物理学三个重要分析方法(声学方法、光学方法、粒子轰击方法)之一。声学方法与光学方法(包括电磁波方法)相比有相似处，也有不同处。相似处是：声波和光波都是波动，使用两种方法时，都运用了波动过程所应服从的一般规律，包括量子概念(声的量子称为声子)。不同处是：光波是横波，声波在气体中和液体中是纵波，而在固体中有纵波，有横波，还有纵横波、表面波等，情况更为复杂；声波比光波的传播速度小得多；一般物体和材料对光波吸收很大，但对声波却很小，声波在不同媒质的界面上几乎是完全反射。这些传播性质有时造成结果上的极大差别，例如在普通实验室内很容易验证光波的平方反比定律(光的强度与到光源的距离平方成反比)。根据能量守恒定律，声波也应满足平方反比定律，但在室内则无法测出。因为室内各表面对声波来说都是很好的反射面，声速又比较小，声音发出后要反射很多次，在室内往返多次，经过很长时间(称为混响时间)才消失。任何点的声强都是这些直达声和反射声互相干涉的结果，与距离的关系很复杂。这就是为什么直到1900年赛宾提出混响理论以前，人们对很多声学现象不能理解的原因。声学的分支学科与光学相似，在不同的情况，依据其特点，需要运用不同的声学方法进行研究。波动声学也称物理声学，它是使用波动理论研究声场的学科。在声波波长与空间或物体的尺度数量级相近时必须用波动声学分析。其主要内容是研究声的反射、折射、干涉、衍射、驻波、散射等现象。在封闭空间(例如室内，周围有表面)或半关闭空间(例如在水下或大气中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振动(称为简正振动方式或简正波)。简正方式理论是引用量子力学中本征值的概念并加以发展而形成的。射线声学或称几何声学，它与几何光学相似。主要是研究波长非常小时，能量沿直线的传播的规律。即忽略衍射现象，只考虑声线的反射、折射等问题。这是在许多情况下都很有效的方法。例如在研究室内反射面、在固体中作无损检测以及在液体中探测等时，都用声线概念。统计声学主要研究波长非常小，在某一频率范围内简正振动方式很多，频率分布很密时，忽略相位关系，只考虑各简正方式的能量相加关系的问题。赛宾公式就可用统计声学方法推导。统计声学方法不限于在关闭或半关闭空间中使用。在声波传输中，统计能量技术解决很多问题，就是一例。声学仪器20世纪以前，声源仅限于人声、乐器、音义和哨子。频率限于可听声范围内，可控制的声强范围也有限。接收仪器主要是人耳，有时用歌弧、歌焰作定性比较，电话上的接收器和传声器还很简陋，难于用作测试仪器。20世纪以后，人们把电路理论应用于换能器的设计，把晶体的压电性用于声信号和电信号之间的转换，以后又发展了压电陶瓷、驻极体等，并用电子线路放大和控制电信号，使声的产生和接收几乎不受频率和强度的限制。近年用半导体薄膜产生超声，用激光轰击金属激发声波等，使声频超过了可听声高限的几亿倍。次声频率可达每小时一周以下，声强可超过人耳所能接收高强声音的几千万倍。声功率也可超过人发声的一千亿倍。声学测量分析仪器也达到了高度准确的程度，以计算机为中心的测试设备可完成多种测试要求，60年代需要几天才能完成的测试分析工作，用现代设备可能只要几秒钟就可以完成，这些手段给声学各分支的发展创造了很好的条件。利用对声速和声衰减，测量研究物质特性已应用于很广的范围。目前测出在空气中，实际的吸收系数比19世纪斯托克斯和基尔霍夫根据粘性和热传导推出的经典理论值大得多，在液体中甚至大几千倍、几万倍。这个事实导致了人们对弛豫过程的研究，这在对液体以及它们结构的研究中起了很大作用。对于固体同样工作已形成从低频到起声频固体内耗的研究，并对诸如固体结构和晶体缺陷等方面的研究都有很大贡献。表面波、声全息、声成像、非线性声学、热脉冲、声发射、超声显微镜、次声等以物质特性研究为基础的研究领域都有很大发展。声全息和声成像是无损检测方法的重要发展。将声信号变成电信号，而电信号可经过电子计算机的存储和处理，用声全息或声成像给出的较多的信息充分反应枝检对象的情况，这就大大优于一般的超声检测方法。用热脉冲产生的超声频率可达到1012Hz以上，为凝聚态物理开辟了新的研究领域。声波在固体和液体中的非线性特性可通过媒质中声速的微小变化来研究，应用声波的非线性特性可以实现和研究声与声的相互作用，它还用于高分辨率的参量声呐中。声波可以透过所有物体：不论透明或不透明的，导电或非导电的。因此，从大气、地球内部、海洋等宏大物体直到人体组织、晶体点阵等微小部分都是声学的实验室。近年来在地震观测中，测定了固体地球的简正振动，找出了地球内部运动的准确模型，月球上放置的地声接收器对月球内部监测的结果，也同样令人满意。进一步监测地球内部的运动，最终必将实现对地震的准确预报从而避免大量伤亡和经济损失。声学与生命科学听觉过程涉及生理声学和心理声学。目前能定量地表示声音在人耳产生的主观量(音调和响度)，并求得与物理量(频率和强度)的函数关系，这是心理物理研究的重大成果。还建立了测听技术和耳鼓声阻抗测量技术，这是研究中耳和内耳病变的有效工具。在听觉研究中，所用的设备很简单，但所得结果却惊人的丰富。1961年物理学家贝剀西曾由于在听觉方面的研究获得诺贝尔医学或生理学奖，这是物理学家在边缘学科中的工作受到了承认的例子。目前主要由于对神经系统和大脑的确切活动和作用机理不明，还未形成完整的听觉理论，但这方面已引起了很多声学工作者的重视。在语言和听觉范围内，基础研究导致很多重要医疗设备的生产：整个装到耳听道内的助听器；保护听力的耳塞，为声带损伤病人用的人工喉，语言合成器，为全聋病人用的触觉感知器和人工耳蜗等等。除了助听、助语设备外，声学在医学中还有很多可以应用的方面，但发展都很不够或根本未发展，特别是在治疗方面。有迹象说明低强度超声可加速伤口愈合，同时施用超声和 X射线可使对癌症的辐射治疗更加有效，超声辐射可治愈脑血栓等，但这些都未形成常规的治疗手段。超声检查体内器官，并加以显示的方法有广泛的应用，声波可透过人体并对体内任何阻抗的变化灵敏(折射、反射)，因此超声透视颅内、心脏或腹内的某些功效远比 X射线优越，而且不存在辐射病，但使用时也有局限。超声全息用于体内无损检测的技术则尚待发展。声学与环境当代重大环境问题之一是噪声污染，社会上对环境污染的意见(包括控告)有一半是噪声问题。除了长期在较强的噪声(90dB以上)中工作要造成耳聋外，不太强的噪声对人也会形成干扰。例如噪声级到70dB，对面谈话就有困难，50dB环境下睡眠休息已受到严重影响。近年来，对声源发声机理的研究受到注意，也取得了不少成绩。噪声控制中常遇到的声源功率范围非常大，这也增加了噪声控制工作的复杂性。例如一个大型火箭发动机的噪声功率可开动一架大型客机，而大型客机的噪声功率可开动一辆卡车。噪声污染是工业化的后果，而降低噪声又是改善环境、提高人的工作效率、延长机器寿命的重要措施。环境科学不但要克服环境污染，还要进一步研究造成适于人们生活和活动的环境。使在厅堂中听到的讲话清晰、音乐优美是建筑声学的任务。厅堂音质的主要问题是室内的混响，混响必须合适，有时还需要混响可变。实验证明，由声源到听者的直达声及其后50或100毫秒内到达的反射声对音质都有重要影响，反射声的方向分布也是很重要的因素，两侧传来的反射声似乎很重要，全面研究各种因素才能获得良好的音质。音乐是声学研究最早注意的课题，今日则已开始进入新的境界。电子乐器和计算机音乐的问世，为作曲家和演奏艺术家开辟了新的创作天地。电子音乐合成器产生的乐音既可以模拟现有任何乐器的声音，也可以创造出从来未有过的新乐音。除了次声外，声学对国防还有许多重要用途。海洋中除声以外的各种信号都很难传到几米之外，因此利用回声探测水下物体，如潜艇、海底、鱼群、沉船等是最有力的手段。次声学是研究次声波在媒质中的产生、传播和接收及其效应和应用的科学。次声是频率低于可听声频率范围的声，它的频率范围大致为1/10000Hz～20Hz。次声学的发展历史早在19世纪，人们就已记录到了自然界中一些偶发事件(如大火山爆发或流星爆炸)所产生的次声波。其中最著名是1883年8月27日，印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，它产生的次声波传播了十几万公里，当时用简单微气压计都可以记录到它。在理论方面，最早在1890年，英国物理学家瑞利就开始了大气振荡现象的研究。第一次世界大战前后，火炮和高能炸药的出现，提供了较大的声源，促进了对次声在大气中传播现象的了解。在20世纪20年代还进行了高层大气的温度和风对次声传播影响的研究，并建立了探测高层大气的简单声学方法，为此还研制了灵敏度更高的微气压计、热线式次声传声器。30年代发展了电容次声传声器。40年代后，利用声波在大气中的传播速度与温度的均方根成正比关系的原理，提出了火箭-榴弹次声法测定高层大气温度和风速的方法，发展了次声接收和定位的新技术。核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和次声传播等方面部有了很大发展。核爆炸会形成强大的次声源，它产生的次声波在大气中可以传插得非常远，次声方法曾成为探测大气中核爆炸的主要方法之一。为此建立了许多次声观察站，进行了长时期连续记录和观察。人们还发现了大气中存在许多自然次声源，对它们的发声机制和特性进行了初步的了解。现在知道的次声源有：火山爆发、流星、极光、电离层扰动、地震、晴空湍流、海啸、台风、雷暴、龙卷风、雷电等。认识并利用次声方法来预测它们的活动规律，已成为近代次声学研究的重要课题。长周期的次声波在电离层中传播，使电离层受到扰动，这种以声重力波方式传播的次声波成为高空大气研究中非常活跃的课题之一。次声学的基本内容次声在大气中的传播具有衰减小并受波导和重力影响等特点。声在大气中传播的衰减主要是由分子吸收、热传导、和粘滞效应引起的，相应的吸收系数与频率的二次方成正比。由于次声的频率很低，所以大气对次声波的吸收系数很小。此外，湍流的作用也会引起次声波的衰减。但是它们的影响都很小，通常可略去不计。大气温度密度和风速随高度具有不均匀分布的特性，使得次声在大气中传播时出现“影区”、聚焦和波导等现象。当高度增加时，气温逐渐降低，在20公里左右出现一个极小值；之后，又开始随高度的增加，气温上升，在50公里左右气温再次降低，在80公里左右形成第二个极小值；然后复又升高。大气次声波导现象与这种温度分布有密切关系。声波主要沿着温度极小值所形成的通道(称为声道)传播。通常将20公里高度极小值附近的大气层称为大气下声道，高度80公里附近的大气层称为大气上声道。次声波在大气中传播时，可以同时受到两个声道作用的影响。在距离声源100～200公里处，次声信号很弱，通常将这样的区域称为影区。在某种大气温度分布条件下，经过声道传输次声波聚集在某一区域，这一区域称它为聚焦区。风也会对次声在大气中的传播产生很大的影响。次声的传播在顺风和逆风时差别很大：顺风时，声线较集中于低层大气；逆风时，产生较大的影区。不同频率的次声在大气声道中传播速度不相同，产生频散现象，这使得在不同地点测得次声波的波形各不相同。大气的密度随高度增加而递减，如果次声波的波长很大，例如有几十公里长，这时，在一个波长的范围内，大气密度已经产生显著的变化了。当大气媒质在声波的作用下受到压缩时，它的重心较周围媒质提高，这时除了弹性恢复力作用外，它还受重力的作用。反之，当它在声波作用下膨胀时，也有附加重力作用使它恢复到平衡状态。所以长周期的次声波，除了弹性力作用外，还附加有重力的作用，这种情况下，次声波通常称为声重力波。声重力波在大气中传播时，在理论上可以看作是一些简正波的叠加。基本上可分为声分支和重力分支。它们在大气中传播都具有频散现象。由于重力分支主要能量在地面附近传播。相应地面附近温度较高，因此传播速度较大。次声测量包括次声接收、记录、探测和分析等。次声学的应用早在第二次世界大战前，次声方法已应用于探测火炮的位置，可是直到50年代，它在其他方面的应用问题才开始被人们注意，它的应用前景是很广阔的，大致可分为下列几个方面：通过研究自然现象产生的次声波的特性和产生机制，更深入地认识这些现象的特性和规律。例如人们利用测定极光产生次声波的特性来研究极光恬动的规律等。利用接收到的被测声源所辐射出的次声波，探测它的位置、大小和其他特性，例如通过接收核爆炸、火箭发射火炮或台风所产生的次声波去探测这些次声源的有关参量。预测自然灾害性事件，许多灾害性现象如火山喷发、龙卷风和雷暴等在发生前可能会辐射出次声波，因此有可能利用这些前兆现象预测灾害事件。次声在大气中传播时，很容易受到大气媒质的影响，它与大气中风和温度分布等有密切的联系。因此可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中传播特性的测定，可以探测某些大规模气象的性质和规律。这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。通过测定次声波与大气中其他波动的相互作用的结果，探测这些活动特性。例如在电离层中次声波的作用使电波传播受到行进性干扰。可以通过测定次声波的特性，更进一步揭示电离层扰动的规律。同样，通过测定声波与重力波或其他波动的作用，可以研究这些波动的活动规律。人和其他生物不仅能够对次声产生某种反应，而且他(它)们的某些器官也会发出微弱的次声，因此可以利用测定这些次声波的特性来了解人体或其他生物相应器官的活动情况。超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。频率高于人类听觉上限频率(约20000赫)的声波，称为超声波，或称超声。超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年首次制成超声气哨，此后又出现了各种形式的气哨、汽笛和液哨等机械型超声发生器(又称换能器)。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今还仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(1012赫以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。超声波在媒质中的反射、折射、衍射散射等传播规律与可听声波的并无质的区别。超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传描理论已较成熟，然而声波在高速流动的流体媒质中的传播，在液晶等特殊液体中的传播，以及大振幅声波在流体媒质中转插的非线性问题等的研究，仍在不断发展。当超声在媒质中传播时，由于声波和媒质之间的相互作用，使媒质发生一系列物理的和化学的变化，也出现一系列力学、光学、电、化学等超声效应。线性交变的振动作用是指由于媒质在一定频率和声强的超声波作用下作受迫振动，而使媒质中的质点位移、速度、加速度以及媒质中的应力等分别达到一定的数值而产生一系列超声效应。当质点速度远小于媒质中的声速时，所产生的机械效应，如悬浮粒子的凝聚、声光衍射、超声在压电或压磁材料中感生电场或磁场等，可用线性声学理论说明，故称为线性的交变机械作用。由于超声振动的非线性而产生像锯齿波形效应和各种直流定向力，并由此而产生了一系列特殊的超声效应，如超声破碎、局部高温、促进化学反应等等。当液体中有强度超过该液体的空化阈的超声传播时，液体内会产生大量的气泡，小气泡将随着超声振动而逐渐生长和增大，然后又突然破灭和分裂，分裂后的气泡又连续生长和破灭，这种现象称之为空化。这些小气泡急速崩溃时在气泡内产生了高温高压，并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡，而在气泡附近的液体中产生了强烈的局部激波，也形成了局部的高温高压，从而产生了超声的清洗、粉碎、乳化、分散、促进化学反应等一系列的作用，同时还伴有强烈的空化噪声和声致发光。在液体中进行的超声处理技术，大多数都与空化作用有关。以超声为工具，来检验、测量或控制各种非声学量及其变化的超声检测和控制技术。用超声波易于获得指向性极好的定向声束，加上超声波能在不透光材料中传播，因此它已广泛地用于各种材料的无损探伤、测厚、测距、医学诊断和成像等。当前，超声检测这方面的新研究和新应用仍在不断地出现，例如声发射技术和超声全息等等。而采用数字信号处理技术来解决超声检测中以往尚未解决或尚未圆满解决的问题的研究工作，近年来也非常活跃。超声处理是通过超声对物质的作用而来改变或加速改变物质的一些物理、化学、生物特性或状态的技术。由于使用适当的换能器可产生大功率的超声波，而通过聚焦、增幅杆等方法，还可获得高声强的超声，加上液体中的空化现象，使得利用超声进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、促进化学反应、医疗，以及种子处理等已经广泛地应用于工业、农业、医学卫生等各个部门，并还在继续发展。但很多应用机理至今尚未搞清，有待深入研究。机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20世纪40年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程及微观谐振过程(如铁磁、顺磁、核磁共振等)之间的关系，从而形成了分子声学的分支学科。随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，目前已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科——量子声学也正在形成。超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断向前发展。水声学是声学的一个分支学科,它主要研究声波在水下的产生、传播和接收过程，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动，在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好，水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。美国的费森登设计制造了电动式水声换能器，1914年就能探测到两海里远的冰山。1918年，朗之万制成压电式换能器，产生了超声波，并应用了当时刚出现的真空管放大技术，进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。第二次世界大战以后，为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力，水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如：水声制导鱼雷，音响水雷主、被动扫描声呐，水声通信仪，声浮标，声航速仪，回声探测仪，鱼群探测仪，声导航信标，地貌仪，深、浅诲底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。随着海洋的开发，水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等方面的应用还将不断地扩展。现代水声学, 的研究课, 题涉及面很广，主要有：新型水声换能器；水中非线性声学；水声场的时空结构；水声信号处理技术；海洋中的噪声和混响、散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声；海洋媒质的声学特性等。特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成海洋声学等研究领域。
动力学直径又称气体动力学当量直径。表述粒子运动的一种“假想”粒度。斯托伯（W.Stober）把它定义为：单位密度（ρ0=1g/cm3）的球体，在静止空气中作低雷诺数运动时，达到与实际粒子相同的最终沉降速度（Vs）时的直径。也就是将实际的颗粒粒径换成具有相同空气动力学特性的等效直径（或等当量直径）。由于通常不能测得实际颗粒的粒径和密度，而空气动力学直径则可直接由动力学的方法测量求得，这样可使具有不同形状、密度、光学与电学性质的颗粒粒径有了统一的量度。大气颗粒物（或气溶胶粒子）的粒径（直径或半径），均应指空气动力直径。在标准状况下，粒子在空气中的气体动力学直径为0.5μm，比重为2时，其真实直径只有0.34μm，而比重为0.5时，却为0.74μm
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轉為繁體網頁关键词： 纳米门纳米动力板碳纳米管分子运动速率引言要通过纳米动力板来利用空气分子热 ... 空气分子的有效直径约为3.5 ×10 m，气体分子的平均间距约为3*10 m。 空气分子热运动能量的利用 徐四胜 陕西历史博物馆，陕西西安，710000 摘要 空气分子的运动蕴藏着巨大的能量。如果能利用空气分子的动能，同时调节大气的温度，那能源和环境问题就同时解决了。宏观上，物体表面受到的大气压强是均匀的，但微观上，在纳米尺寸及纳秒级时间内，物体表面的受空气分子的撞击力是不均匀的。本文设计出的纳米门模型，可以利用不均匀受力而形成单向受力，一个宏观的面板版上镶有无数个纳米门，就形成纳米动力版。只要放在空气中，动力版就能对别的物体产生力的作用，并对外做功。本质上是把空气分子的运动能转化为机械能。 关键词： 纳米门 纳米动力板 碳纳米管 分子运动速率 引言 要通过纳米动力板来利用空气分子热运动能量的功能，必须满足两个条件：一是从技术上能生产纳米级的叶片、转轴和框架，并能镶入到宏观物体的特殊板材里；二是在纳秒级的时间里，空气分子对纳米级的叶片撞击存在不均匀性，能使叶片转动并撞击框架。 对于条件一，现在的技术基本能满足。 美国科学家用碳纳米管造出世界上最小的电动机，它的直径约为500纳米，能够在电压驱动下转动。纳米电动机的旋转叶片是一片金叶，长度不到300纳米，叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。至于如何把纳米小单元镶入到宏观物体的特殊板材里，要等纳米材料和技术进一步成熟才行。 对于条件二，根据理论计算是可能的。但还有待实验进一步证实。 1．空气的物理特性 1.1．空气分子的大小，分布密度及状态 气体在0℃和一个标准大气压下的状态称为标准状态，压强为1.013×105 Pa，空气密度为1.293g/L。标准状态下可视为理想气体，其摩尔体积22.4L/mol。空气分子的有效直径约为 3.5×10-10 m，气体分子的平均间距约为3*10-9 m。平均分子量为29 一摩尔气体于20℃时，体积约为 22.4升。包含6.02×1023 个分子。 由气体动力论，将空气视为理想气体， 可以估算气体分子速率的算术平均值即平均运动速率。2 1)8(8m kTmkTv （ m为分子质量，k=1.38×10-23 Joul/K 为常数 , T 则为绝对温标）。可算出室温下气体分子运动速率约为500 m/s。
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2 平均自由程 式中n为分子的数密度，σ为分子的半径利用上述公式算出其平均自由程为L=6.9×10-8 m。可见,在标准状态下，空气分子的平均自由程约为其有效直径的200倍。 1.2空气分子撞击 根据动量定理，假设每个空气分子撞击表面的力为F，则 Ft=2mv。1s内打表面上的空气分子个数是n，根据压强公式则 nF=PS。假设撞击1m2 表面的空气分子的速度方向均与撞击面垂直，并以原速率反弹回来。由此可以估算出1s内撞击表面的空气分子个数约是2*1027 （已知大气压约为1.0×105 Pa，一个空气分子的平均质量为4.9×10-26 kg） 2．纳米门模型 2.1设计思路 设计一个纳米级别的控制器，控制器在空气分子的撞击下，可以产生单方向受力，本文称之为‘纳米门’。纳米门的结构见下图 由门框、门板、门轴构成。 2.2工作原理 如图，当门板右边空气分子撞击门板的冲力大于左边空气分子撞击的冲力时，门板转动，撞击门框，产生力的作用。相反，当左边的冲力大于右边的冲力时，门板远离门框转动，不对门框产生力的作用。这就形成了单向受力的现象。 2.3．纳米门大致尺寸
3 根据空气的物理特性，现假设纳米门板 长*宽=20*15nm2 =300nm2 。一纳秒时间内单面撞击门 板数约为n=2*1027*300*10-18*10-9 =600次。因为撞击是随几的，两边会存在不均匀撞击，从宏观上看，相当于空气分子单向对门框施加作用力。 3．纳米动力板 3.1纳米动力板模型 把无数个纳米门组成的小单元同方向镶入到宏观物体的特殊板材里，就形成纳米动力板。把它放在空气中，就会向一个方向产生力。力的大小主要取决于纳米动力板内镶入的纳米门的多少、纳米门的大小、空气分子不均匀撞击的程度等，但产生的单向压强永远会小于1个大气压。动力版的模型见下图。图中空气对动力版的作用力的方向是向左。 3.2纳米动力板的作用 把风力发电的叶片换成纳米动力板，就可以发电。 纳米动力板发电，本质上是把空气分子的机械运动能转化为电能，空气分子运动减速，表现为降低了空气的温度。所以小型发电机可以作为家庭空调用（在夏天，即可降低室温，又可发电）。巨型发电机甚至可以调节地球的气温。 可以抵消飞机的重力，可以给予汽车、火车、飞机动力。
4 …… 4．结论 空气中蕴藏有巨大的能量，如何利用好空气的能量是个重大的课题，本文从全新的视角探寻利用空气能量的途径。如果可行那将是人类的福音。固体微结构网上合作研究中心 Webmaster: njuljf@msn.com
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