声波的完好隧穿

发布时间：2023-10-18 12:52:15 所属栏目：动态来源：

导读：众所周知，声音是由波动引起的，这种波动需要在某种媒介物中传递才能发挥作用。如果没有介质，声波就无法存在，也无法传递能量。这就像我们在真空中无法听到声音一样。那么，如果两个物体之间有一个很小的真空间隙，

众所周知，声音是由波动引起的，这种波动需要在某种媒介物中传递才能发挥作用。如果没有介质，声波就无法存在，也无法传递能量。这就像我们在真空中无法听到声音一样。那么，如果两个物体之间有一个很小的真空间隙，声波能否从一个物体传到另一个物体呢？这看起来似乎是不可能的，因为声波在真空中会衰减到零。但是，有一种特殊的物质，叫做压电材料，它可以使这种看似不可能的事情变成可能。

压电材料是一种能够将机械应力转化为电场，或者将电场转化为机械形变的材料。当一个声波在一个压电材料中传播时，它会产生一个与之相伴的电场。这个电场并不局限于材料内部，而是会延伸到材料表面外部，并且随着距离的增加而指数衰减。这就像我们在电磁学中学过的那样，当一个平面电磁波在一个导体表面上反射时，它会产生一个表面电流和一个表面电荷密度。这些表面电荷会产生一个向外延伸的衰减电场。

那么，在什么条件下，声波可以完全地从一个压电材料传到另一个压电材料呢？换句话说，在什么条件下，从一个材料发出的声波能量等于进入另一个材料的声波能量呢？这就需要我们考虑两个压电材料之间的匹配问题。

首先，我们要注意到，并不是所有类型和方向的声波都能够在压电材料中产生显著的电场效应。只有那些与晶体对称性相适应，并且具有横向分量（即垂直于传播方向）的形变或应力的声波才能够有效地耦合到电场中。这些声波被称为压电活性声波。例如，在具有六方对称性（例如锌铁矿石）的压电材料中，只有沿着六角轴方向传播的横波才是压电活性的。因此，我们要想实现声波的隧穿效应，就必须选择合适的压电材料和声波的极化和传播方向。

其次，我们要注意上面说到，并不是所有频率的声波都相互作用能够在上述的两个不同的压电材料之间无缝的实现不同维度的完全隧穿。只有当两个材料的声波阻抗（即声波在材料中传播时所受到的阻力）相等或者相近时，才能够避免声波在界面上的反射，并且保证声波能量的最大传输。这就像我们在光学中学过的那样，当光从一个介质进入另一个介质时，如果两个介质的折射率相等或者相近，那么光就不会发生反射，而是完全地透射。因此，我们要想实现声波的完全隧穿，就必须选择合适的压电材料和声波的频率。

如果满足了这些条件，那么声波就可以从一个压电材料完全地传到另一个压电材料，而不会发生任何反射或衰减。这就是声波完全隧穿效应。

那么，这种效应是否真的存在呢？有没有人做过实验来验证呢？答案是肯定的。在一篇新发表的论文中，作者就使用了两种不同类型的压电材料：锆钛酸铅（PZT）和锆钛酸锶（PST），它们都具有四方对称性。作者选择了沿着四方轴方向传播的横波作为压电活性声波，并且调节了声波的频率和两个材料之间的真空间隙，使得它们满足了完全隧穿条件。

作者使用了一个超声换能器来产生和接收声波，并且测量了声波在两个材料之间的透射系数（即进入另一个材料的声波能量与从一个材料发出的声波能量之比）。作者发现，在某些特定频率下，透射系数接近于1，表明声波几乎完全地从一个材料传到另一个材料，而没有任何损失。这就是实验上观察到的声波完全隧穿效应。在这种情况下，声波穿透介质的能力大大增强，因此可以看到声波的强度和速度都得到了提高。

（编辑：聊城站长网）

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