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水下声学基础.声波的概念 声音是怎样产生的？观察各种发声物体，可以发现它们只有振动时才能发出声音，振动停止时，声音 也消失了。这说明声音是由物体的振动产生的。 振动着的发声物体就叫做声源。 声源振动发出的声音，怎么能传到人耳呢？原来在声源和人耳中存在着能够传播振动的物质，比如空 气等，这种能够传播声音的物质叫做声音的媒质 声源的振动，使周围的媒质产生疏密的变化，形成疏密 相间的织波，这就是声波。不仅空气能够传播声波，其它气体、固体和液体也能传播声波。因为真空中没 有传播声音的媒质，故声波不能在真空中传播。人耳能够听到的振动频率，是有一定范围的，即在 20Hz~ 20 000 五z之间。频率在 10-Fz~20 Hz 的机械波，人耳是听不到的，称为次声波。频率在 2×10"Hz~2× 0"Fz 的机械波，人耳也感觉不到，称为超声波。 当然，是否引起人的听觉，不完全由机械波的频率决定，还与声强有关，对每一频率的声波，声强都 有一个上限值， 一个下限值，低于下限值或高于上限值都不能引起人耳听觉。 f=1/T (2-13) 在声波的传播过程中，振动传播的速度叫波速，用 V表示。它的大小取决于媒质的性质。 例如：声波在 0C的空气中速度为 332m/s，20°C时是 344 m/s，30°C时是 349 m/s。声波在几种媒质中 的传播速度见表 2-5。 0C时几种媒质中的声速 m/s 媒质 经公 水 铁 玻 璃 声建 332 1 450 3 800 4 900 5 000-- 6 000 #I* 3 320 花2-5 橡駮 30~50 在一周期的时间工 内，振动在媒质中传播的距离，叫波长，用入表示。 波长^与频率 士和波速 V 有着密切的关系。在均匀媒质中，振动是匀速传播的，也就是说波速是恒量。 这时，波长等于波速与周期的乘积，即： 入=VT或 V=Af (2-14) 声源振动发出的声音，差别很大。有的声音，比如各种乐器发出的声音，悦耳动听，我们把这种声音 叫乐音。有的声音，比如泥凝士搅拌机、空气压缩机等发出的声音，嘈杂刺耳，我们把这种声音叫噪声。 噪声对人体的有严重危害，长期处在较高噪声环境里工作，会使人的神经紧张，心率加快，严重 危害人的身心。

气体的柢念 我不不运动论的观点，物体分于间存在者吸引1力，这将似物体分天不的 灣想对，公子网又公产生推后力，，他分子他迎為拉开。一般粮的吃你分子阿的旺路故大，且分不的m看 很小，按服万有 1力定你可知，一体分子问的作用力是很小的。 为了研究方他，我们证塔您略气你分手的的作用方。所開理想公体，就是分子向设有相互作用力的气 体。 由于理想气体分于问没有作用力，二T体分子可以自曲运动，遊成气体没有一定的，状，体积在没有州 力的情况下，具有无限扩妝的性质。 因为气休分子同的距高很大，一气体在外力作用下具有易东縮性的特点。自然界的气休业然非究全應义 上理想气休，但我们把亡看作理想气体来研究，按理想一休理论推号出的有关二体定徘进行计鲜，所科的 結论误鉴很小。故我们在有兴气体定徘的计领中，都把文际的气体不做足理想“体。这样处理可大大简化 研究过程。 二、 气体的状态参量 对于一定质的一休，我们常用气体的体积（w、乐强(D)和温度(T)米描述其状态，这三个量称为气质 的状态参量。 由于气体可以自由移动，所以具有充满整个容器的性质。因此气体的体积由容器的容积来决定。气佛 体积的法定单位为立方米(m、立方厘米(cm?）和升（心)等。 温度是用来表示物体冷热程度的物理量。我们常用的温度是投氏温度。在气体定律的计算时不能尋後 用摄氏温度，而应使用热力学温度《或叫 温度)。其单位是开尔文，简称开(K)。 温度(T)和摄氏温度()之间的关系为 T= t+273 从上式可看出，t--273°C时， 温度T=OK。我们把这时的温度叫 零度。 压强在气体定律的计算中用的是 压强。相对压强不能直接代入气体定律公式中计算。三、理想气体的气态方程 对于一定质量的气体，如果三个状态参量P、V和工都不改变，我们说气体处于某一状态。如果这三 个量或任意二个量同时变化，我们说气体的状态改变了。 实验证明：一定质量的理想气体，它的压强和体积的乘积与 温度的比，在状态变化时始终保持不 变，即：-征量 政一“-号兴 (2-6) 我们把 2-6 式称为理想气体的气态方程。 式中P、V、工分别为 种状态的压强、体积和 温度；P2、V．工,分别为第二种状态的压强， 体积和 温度。 气态方程描述了气体压强、体积和 遏度之间的变化规律 对于一定质量的气体，如果压强、体积和 温度三个量中一个量保持不变，那么根据2-6 式可以分 别得出，其余两个量之间的关系。 （一）波义耳一马咯特定律 气体状态交化时，温度保特不变的过程叫做等温过程。根据 2-6 式，当工=巧,时 P V=P,V,=恒量 (2-7) 即： 一定质量的气体，在温度保持不变时，气体的压强与体积成反比 这个规律是 17 世纪，由英国科学家波义耳和法国科学家马路特分别发现的。我们把2-8 式称为波义耳 -马略特定律， （二）萱?吕萨克定律 气体状态变化时，压强保持不交的过程叫做等压过程。根据 2-6式，当P=P2时， -常 2=恒 (2-8) 即： 一定质量的气体，在压强保持不变时，气体的体积与 温度成正比。 这个规律由法国科学家盖 ?吕萨克早发现。我们把2-8式称为盖 ?吕萨克定律。 （三）查理定律 气体状态变化时，体积保持不变的过程叫等压过程。 根据2-6式，当 V-V时， 号-证址 (2-9) 即： 一定质量的气体，在体积保持不变时，气体的压强和 温度成正比。 这个规律由法国科学家查理首次发现。我们把2-9式称为查理定律。 例2.3 将常压下 31m°的空气（温度23C），压入容积为 8m° 真空的加压舱内，这时舱上压力表指到 0.3MPa。 问舱内空气的温度为多少？ 解：常压空气的 压强为 0.1MPa，舱内空气的压强 0.3MPa 是相对压强。在空气的压缩过程中，质 量保持不变，可运用2-6式。 己知：PI=0.1MPa VI= 31m" TI=23+273=296K P,=0.3+0.1=0.4MPa V2=8m? 求：T 根据 2-6 式Tz= Pa: V2. T, P?V -2.12号 ×296-=305.5CK) ?2= Ta-273=32.5(C) ?舱内空气温度升到 32.5°C。例2.4 自携式潜水员，下水前用压力表测得气瓶压强为 12MPa，瓶内空气为 50°C，现潜入 20m 水深 处，水温为 10°C。问潜水员到达水底时气瓶内空气的相对压强为多少？ 解：潜水员从水面到达水底的过程中，需不断呼吸，消耗瓶内压缩空气，也就是说瓶内空气的质量非 恒定，2-6 式已不适用。但如果潜水员快速到达水底，我们可以忽略瓶内空气质量的减少，即近似认为值 定，这样2-6式仍可近似使用。同时，因潜水员快速到达水底，瓶内空气的温度也不可能同步降至水温， 但为了计算方便，我们近似认为潜水员到达水底，其瓶内气温亦降至水温。 己知：p= 12+0.1=12.IPa T,=50+273=323K 12=10+273=283K VI=V 求：p2 根据29武号一号 可得：Py= 31. T2=12] ×283=10.6(MPa) ??相对压强=P2-0.1=10.5（MPa) 例2.5 自携式潜水员，在水下 20m 水深处，深呼吸吸足压缩空气，然后取下呼吸器，屏气上升出水， 问到达水面时，其肺部体积为水下 20m 时的多少倍？ 解：潜水员在 20m 水深时，其肺部承受到压强与静水压强及水面大气压强之和相等。出水后，与大气 压强相等。因是屏气出水，肺部内空气的质量保持不变。 如果我们不考虑水温和气温的差异，则可运用2-7 式计算， 己知：P,=P 0+0.1=0.01×20+0.1=0.3MPa P2=0.1MPa TI=T? 得：V PI = 0.3=3 即：V,=3V1 Pa 0.1 ?出水后肺部的体积是水下 20m 时的三倍。 从这个例题可以知道：这种屏气出水是相当危险的，肺部过度膨账会引起肺气压伤。正确的出水方法 是出水过程不断呼出肺部气体，随深度的减少，肺部内存量气体的质量不断减少，这样到达水面时，肺高 体积不会出现明显膨胩。