非线性声学

研究声传播过程中的非线性现象的学科
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非线性声学（nonlinear acoustics[2]）指的是研究声传播过程中的非线性现象的学科。[7][9]在线性声学领域，介质服从胡克定律，其运动也遵守线性方程，在这样的情况下，一列正弦波在其传播过程中波形不变。但当介质的非线性或者运动的非线性不可忽略时，情况就显得复杂。即使在理想流体中，流体的运动服从欧拉方程。[10]而非线性声学的任务即是研究基波、各阶谐波以及组合波的传播特性和它们之间的转移关系。[7][9]
非线性声学是声学的分支之一，[11]1956年，法国数学家莱特希尔（James Lighthill）提出非线性声学，并提出其可运用于肾结石粉碎机、河道中的洪水波等方面，而莱特希尔也被认为是非线性声学的开拓者。[4]20世纪50年代，随着高速大功率机械应用日益广泛，使得非线性声学受到重视。[5][12]后至20世纪80年代，中国科学院声学所的科学家冯绍松、钱祖文等在非线性声学方面进行了理论和实验研究。他们研究了非线性声波在边界上的反射，解决了斜入射这一难题，并发现了一项新波（Q谐波），又发展了非线性声学。[13]
非线性声学使用范围广泛，主要可运用于科研领域及医学等领域之中。[2][7]如：南京大学研究了含气泡水的强非线性声学特性，建立其物理模型，讨论了发生共振时的非线性问题，二次谐波声压源的问题。科学家鲁志幼，龚秀芬等研究了海水非线性声学参量B/A的计算和测量。[8]

定义

非线性声学是研究声传播过程中的非线性现象的学科。根据线性声学原理，声波在介质中传播时，流体力学量或热力学量（例如，声压、密度、质点速度和温度以及它们各阶的时间、空间变化率等）之间的关系是线性关系，描述这些关系的方程式是线性方程。[7][9]在此情况下，一列余弦波（或正弦波）在其传播过程中，波形不失真。如果有两列不同频率的余弦波（或正弦波）相遇，它们也不产生相互作用，即不产生新的频率的波。随着声波振幅的加大，声振动的传播速度与振幅的大小有关，振幅大的传播得快，振幅小的传播得慢。如果初始是余弦波（或正弦波），由于波峰走得最快，波谷走得最慢，则在传播过程中，产生波形失真。如果声源只发射一个频率的余弦波（或正弦波）--基波，则在传播过程中要产生各阶谐波；如果声源发射两个频率的波，则除了产生各自的谐波外，还要产生两个相互作用频率的波，后者称为组合波（例如和频波与差波），这就是声传播过程中的非线性现象。[7][9]