Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СКОРОСТЬ ЗВУКА

СКОРОСТЬ ЗВУКА

СКОРОСТЬ ЗВУКА - скорость распространения в среде упругой волны. <Определяется упругостью и плотностью среды. Для плоской волны, бегущейбез изменения формы со скоростью с в направлении оси х, звуковоедавление р можно представить в виде р = р(х - ct), где t - время. Для плоской гармония, волны в среде без дисперсии и С. з. выражается через частоту w и волновое число k ф-лой с=w/k. Со скоростью с распространяется фаза гармонич. волны, <поэтому с наз. также фазовой С. з. В средах, в к-рых форма произвольнойволны меняется при распространении, гармонич. волны тем не менее сохраняютсвою форму, но фазовая скорость оказывается различной для разных частот, <т. е. имеет место дисперсия звука. В этих случаях пользуются такжепонятием групповой скорости. При больших амплитудах упругой волныпоявляются нелинейные эффекты (см. Нелинейная акустика), приводящиек изменению любых волн, в т. ч. и гармонических: скорость распространениякаждой точки профиля волны зависит от величины давления в этой точке, возрастаяс ростом давления, что и приводит к искажению формы волны.

Скорость звука в газах и жидкостях. В газах и жидкостях звукраспространяется в виде объёмных волн сжатия - разряжения. Если процессраспространения происходит адиабатически (что, как правило, и имеет место),т. е. изменение темп-ры в звуковой волне не успевает выравниваться и за ¹/₂, периода тепло из нагретых (сжатых) участковне успевает перейти к холодным (разреженным), то С. з. равна , где Р - давление в веществе,- его плотность, а индекс s показывает, что производная берётсяпри постоянной энтропии. Эта С. з. наз. адиабатической. Выражение для С. <з. может быть записано также в одной из следующих форм:

где К _ад - адиабатич. модуль всестороннего сжатия вещества,- адиабатич. сжимаемость,- изотермич. сжимаемость,= - отношениетеплоёмкостей при постоянных давлении и объёме.

В идеальном газе , где R = = 8,31 Дж/моль*К - универсальная газовая постоянная, Т - абс. <темп-pa, -молекулярная масса газа. Это т. н. л а п л а с о в а С. з. В газе она совпадаетпо порядку величины со средней тепловой скоростью движения молекул. Величину называютн ь ю т о н о в о й С. з., она определяет С. з. при изотермич. процессераспространения, к-рый может иметь место на очень низких частотах. В большинствеслучаев С. з. соответствует лапласову значению.

С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, <чем в твёрдых телах. В табл. 1 и 2 приведены значения С. з. для нек-рыхгазов и жидкостей, причём в тех случаях, когда имеется дисперсия, приведенызначения С. з. для частот, меньших, чем частота релаксации.

В идеальных газах при заданной темп-ре С. з. не зависит от давленияи растёт с ростом темп-ры как . Изменение С. з. равно , где и - малыеприращения скорости н темп-ры по сравнению с их значениями с и Т. При комнатной темп-ре относит. изменение С. з. в воздухе составляетпримерно 0,17% на 1 К. В жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростомтемп-ры и изменение её составляет, напр.. для ацетона -5,5 м/с*К, для этиловогоспирта -3,6 м/с * К. Исключением из этого правила является вода, в к-ройС. з. при комнатной темп-ре увеличивается с ростом темп-ры на 2,5 м/с*К, <достигает максимума при темп-ре ~74°С и с дальнейшим ростом темп-ры уменьшается. <С. з. в воде растёт с увеличением давления примерно на 0,01% на 1 атм, <а также с увеличением содержания растворённых в ней солей.

Табл. 1- Скорость звука в некоторых газах при °С*

		с, м/с
	Азот	334
	Кислород	316
	Воздух	331
	Гелий	965
	Водород	1284
	Неон	435
	Метан	430
	Аммиак	415
	Углекислый газ	259
	Йодистый водород	157

* Значения скорости даны для нормального давления.

Табл. 2- Скорость звука в некоторых жидкостях при 20 °С

		с, м/с
	Вода	1490
	Ацетон	1190
	Бензол	1324
	Спирт этиловый	1180
	Толуол	1324
	Четырёххлористый углерод	920
	Ртуть	1453
	Глицерин	1923

В морской воде С. з. зависит от темп-ры, солёности и глубины. Эти зависимостиимеют сложный вид. Для расчёта С. з. в море используются таблицы, рассчитанныепо эмпирия, ф-лам. Поскольку темп-pa, давление, а иногда и солёность меняютсяс глубиной, то С. з. в океане является ф-цией глубины c(z). Этазависимость существенно определяет характер распространения звука в океане(см. Гидроакустика). В частности, она определяет существование подводногозвукового канала, положение оси к-рого и др. характеристики зависятот времени года, времени суток и от география, местоположения.

В сжиженных газах С. з. увеличивается при той же темп-ре: напр., в газообразномазоте при темп-ре -195 °С она равна 176 м/с, в жидком азоте при той жетемп-ре 859 м/с, в газообразном и жидком гелии при -269 °С соответственно102 м/с и 198 м/с.

С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонент. <В газовых смесях С. з. хорошо описывается ф-лой , в к-poй в качестве взята молекулярная масса смеси, определяемая молекулярными массами компонентовс учётом их концентрации. В жидких смесях зависимость С. з. от концентрациикомпонентов имеет довольно сложный характер, к-рый связан с видом межмолекулярныхвзаимодействий. Так, в спиртоводных и кислотоводных смесях при нек-ройконцентрации имеется максимум С. <з., а в таких смесях, как ацетон с сероуглеродом, <бензол с четырёххлористым углеродом п др., при нек-рой концентрации С. <з. имеет минимум. В водных растворах солей С. з. растёт с ростом концентрацииво всём интервале концентраций. Т. о., измерение С. з. может использоватьсядля определения и контроля концентрации компонент смесей и растворов.

В жидком гелии С. з. увеличивается при понижении темп-ры. При фазовомпереходе в сверхтекучее состояние возникает излом на кривой зависимостиС. з. от темп-ры.

В многоатомных газах и практически во всех жидкостях имеется дисперсияС. з., причём в жидкостях она проявляется на высоких УЗ- и гиперзвуковыхчастотах.

В резинах, полимерах и каучуках С. з. зависит от хим. состава и плотностиупаковки макромолекул и растёт с увеличением частоты; в материалах этоготипа с меньшей плотностью и С. з. меньше, напр. в силиконовом каучуке С. <з. <составляет 950-1100 м/с на частотах 20-150 кГц, в бутадиен-нитрильном каучуке1600-2100 м/с в том же диапазоне частот.

Скорость звука в твёрдых телах. В неограниченной твёрдой средераспространяются продольные и сдвиговые (поперечные) упругие волны. В изотропномтвёрдом теле фазовая скорость для продольной волны

для сдвиговой волны

где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига,- коэф. Пуассона, К - модуль объёмного сжатия. Скорость распространенияпродольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн, причём обычновыполняется соотношение . Значения с _l и c_t для нек-рых изотропныхтвёрдых тел приведены в табл. 3.

Табл. 3 -Скорость звука в некоторых изотропных твёрдых телах

В монокристаллах С. з. зависит от направления распространения волныв кристалле (см. Кристаллоакустика). В тех направлениях, в к-рыхвозможно распространение чисто продольных и чисто поперечных волн, в общемслучае имеется одно значение с _l и два значения c_t. Если значения c_t различны, то соответствующие волныиногда наз. быстрой и медленной поперечными волнами. В общем случае длякаждого направления распространения волны в кристалле могут существоватьтри смешанные волны с разными скоростями распространения, к-рые определяютсясоответствующими комбинациями модулей упругости, причём векторы колебат. <смещений частиц в этих трёх волнах взаимно перпендикулярны. В табл. 4 приведенызначения С. з. для нек-рых монокристаллов в характерных направлениях.

Во мн. веществах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В полупроводникахи диэлектриках С. з. чувствительна к концентрации примесей; так, при легированииполупроводника примесью, увеличивающей число носителей тока, С. з. уменьшаетсяс увеличением концентрации; при увеличении темп-ры С. з. слабо увеличивается.

В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от предшествующей механическойи термообработки: прокат, ковка, отжиг и т. п. Частично это явление связанос дислокациями, наличие к-рых также влияет на С. з.

Табл. 4 - Скорость звука в некоторых монокристаллах

В металлах, как правило, С. з. уменьшается с ростом темп-ры. При переходеметалла в сверхпроводящее состояние характер зависимости иной: величина дс/дТ в точке перехода меняет знак. В сильных магн. полях проявляютсянек-рые эффекты в зависимости С. з. от магн. поля, к-рые отражают особенностиповедения электронов в монокристалле металла. Так, при распространениизвука по нек-рым направлениям в кристалле появляются осцилляции С. з. какф-ции магн. поля. Измерения зависимости С. з. от магн. поля являются чувствит. <методом исследования внутр. структуры металлов.

В пьезоэлектриках и сегнетоэлектриках наличие электромеханич. <связи приводит к уменьшению модулей упругости и, следовательно, уменьшаетС. з.

Аналогичное явление наблюдается и в магнитострикционных материалах, где наличие магнитоупругой связи приводит, кроме того, к появлениюзаметной зависимости С. з. от напряжённости магн. поля, обусловленной т. <н. -эффектом, <т. е. зависимостью модуля Юнга Е от величины магн. поля Н. ИзмененияС. з. с ростом Н могут достигать неск. процентов (иногда до десятковпроцентов). Такая же зависимость С. з. от напряжённости электрич. полянаблюдается в сегнетоэлектриках. При действии на твёрдое тело статич. моханич. <напряжений С. з. зависит от величины этих напряжений, что является следствиемотклонения от линейного закона Гука.

В ограниченных твёрдых телах кроме продольных и поперечных волн имеютсяи др. типы волн. Так, вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдольграницы его с др. средой распространяются поверхностные акустическиеволны, скорость к-рых меньше скорости объёмных волн, характерных дляданного материала. Для пластин, стержней и др. твёрдых акустич. волноводовхарактерны нормальные волны, скорость к-рых определяется не толькосвойствами вещества, но и геометрией тела. Так, напр., С. з. для продольнойволны в стержне с _ст, поперечные размеры к-рого много меньшедлины волны звука, отличается от С. з. в неограниченной среде с _l (табл. 3):

Методы измерения С. <з. можно подразделить на резонансные, интерферометрические, <импульсные и оптические (см. Дифракция света на ультразвуке). Наиб. <точности измерения достигают с помощью импульсно-фазовых методов. Оптич. <методы дают возможность измерять С. з. на гиперзвуковых частотах (вплотьдо 10¹¹-10¹² Гц). Точность абс. измерений С. з. налучшей аппаратуре ок. 10^-3 % , тогда как точность относит. измеренийпорядка 10^-5 % (напр., при изучении зависимости с оттемп-ры или магн. поля пли от концентрации примесей или дефектов).

Измерения С. з. используются для определения мн. свойств вещества, таких, <как величина отношения теплоёмкостей для газов, сжимаемости газов и жидкостей, <модулей упругости твёрдых тел, дебаевской темп-ры и др. (см. Молекулярнаяакустика). Определение малых изменений С. з. является чувствит. методомфиксирования примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерение С. <з. и её зависимости от разл. факторов (темп-ры, магн. поля и др.) позволяетисследовать строение вещества: зонную структуру полупроводников, строениеповерхности Ферми в металлах и пр.

Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Теория упругости, 4 изд.,М., 1987; их же, Гидродинамика, 4 изд., М., 1988; Бергман Л., Ультразвуки его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; МихайловИ. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М.,1964; Таблицы для расчета скорости звука в морской воде, Л., 1965; Физическаяакустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 4;т. 4, ч. Б, М., 1970, гл. 7; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения,2 изд., М., 1982; Т р у э л л Р., Э л ь б а у м Ч., Ч и к Б., Ультразвуковыеметоды в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972; Акустические кристаллы, <под ред. М. П. Шаскольской, М., 1982; Красильни ков В. А., Крылов В. В.,Введение в физическую акустику, М., 1984. А. Л. Полякова.