Скорость звука

        скорость распространения какой-либо фиксированной фазы звуковой волны; называется также фазовой скоростью, в отличие от групповой скорости (См. Групповая скорость). С. з. обычно величина постоянная для данного вещества при заданных внешних условиях и не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и С. з. зависит от частоты, говорят о дисперсии звука (См. Дисперсия звука).

         Для газов и жидкостей, где звук распространяется обычно адиабатически (т. е. изменение температуры, связанное со сжатиями и разряжениями в звуковой волне, не успевает выравниваться за период), выражение для С. з. можно представить, как

        

        где К_ад — адиабатический модуль объёмного сжатия, ρ — плотность, β_ад — адиабатическая сжимаемость, β_из = γβ_ад — изотермическая сжимаемость, γ = c_p/c_v — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении c_p и при постоянном объёме c_v.

         В идеальном газе С. з.

        

        (формула Лапласа), где ρ₀ — среднее давление в среде, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, μ — молекулярный вес газа. При γ = 1 получаем формулу Ньютона для С. з., соответствующую предположению об изотермическом характере процесса распространения. В жидкостях обычно можно пренебречь различием между адиабатическим и изотермическим процессами.

         С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в твёрдых телах, поэтому при сжижении газа С. з. возрастает. В табл. 1 и 2 приведены значения С. з. для некоторых газов и жидкостей, причём в тех случаях, когда имеется дисперсия С. з., приведены её значения для малых частот, когда период звуковой волны больше, чем время релаксации (См. Релаксации время).

         Табл. 1. — Скорость звука в газах при 0 °C и давлении 1 атм

        --------------------------------------------------------------

        | Газ                       | с, м/сек                 |

        |------------------------------------------------------------|

        | Азот                     | 334                       |

        |------------------------------------------------------------|

        | Кислород             | 316                       |

        |------------------------------------------------------------|

        | Воздух                 | 331                       |

        |------------------------------------------------------------|

        | Гелий                   | 965                       |

        |------------------------------------------------------------|

        | Водород               | 1284                      |

        |------------------------------------------------------------|

        | Метан                  | 430                       |

        |------------------------------------------------------------|

        | Аммиак                | 415                       |

        --------------------------------------------------------------

        

         С. з. в газах растет с ростом температуры и давления; в жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростом температуры. Исключением из этого правила является вода, в которой С. з. увеличивается с ростом температуры и достигает максимума при температуре 74 °С, а с дальнейшим ростом температуры уменьшается. В морской воде (См. Морская вода) С. з. зависит от температуры, солёности и глубины, что определяет ход звуковых лучей в море и, в частности, существование подводного звукового канала.

         Табл. 2. — Скорость звука в жидкостях при 20^° С

        ------------------------------------------------------------------------

        | Жидкость                                 | с, м/сек      |

        |----------------------------------------------------------------------|

        | Вода                                        | 1490           |

        |----------------------------------------------------------------------|

        | Бензол                                     | 1324           |

        |----------------------------------------------------------------------|

        | Спирт этиловый                        | 1180           |

        |----------------------------------------------------------------------|

        | Четырёххлористый углерод      | 920             |

        |----------------------------------------------------------------------|

        | Ртуть                                       | 1453           |

        |----------------------------------------------------------------------|

        | Глицерин                                  | 1923           |

        ------------------------------------------------------------------------

        

         С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.

         С. з. в изотропных твёрдых телах определяется модулями упругости (См. Модули упругости) вещества и его плотностью. В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, причём фазовая С. з. для продольной волны равна

        

        а для сдвиговой

        

        где Е — модуль Юнга, G — модуль сдвига, γ — коэффициент Пуассона, К — модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн (см. табл. 3).

         Табл. 3. — Скорость звука в некоторых твердых телах.

        ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

        |                                                   | cl, м/сек,             |                              | с_lст, м/сек,           |

        | Материал                                   | скорость             | c_t, м/сек, скорость | скорость звука в  |

        |                                                   | продольной         | сдвиговой волны    | стержне              |

        |                                                   | волны                  |                              |                            |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Кварц плавленый                        | 5970                    | 3762                      | 5760                    |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Бетон                                         | 4200—5300          | —                          | —                        |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Плексиглас                                 | 2670—2680          | 1100—1121            | 1840—2140          |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Стекло, флинт                            | 3760—4800          | 2380—2560            | 3490—4550          |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Тефлон                                      | 1340                    | —                          | —                        |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Эбонит                                       | 2405                    | —                          | 1570                    |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Железо                                       | 5835—5950          | —                          | 2030                    |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Золото                                        | 3200—3240          | 1200                      | 2030                    |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Свинец                                       | 1960—2400          | 700—790                | 1200—1320          |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Цинк                                           | 4170—4210          | 2440                      | 3700—3850          |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Никель                                       | 5630                    | 2960                      | 4785—4973          |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Серебро                                     | 3650—3700          | 1600—1690            | 2610—2800          |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Латунь Л59                                 | 4600                    | 2080                      | 3450                    |

        |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | Алюминиевый сплав АМГ           | 6320                    | 3190                      | 5200                    |

        ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

        

         В монокристаллических твёрдых телах С. з. зависит от направления распространения волны относительно кристаллографических осей. Во многих веществах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от обработки, которой был подвергнут металл: прокат, ковка, отжиг и т. п.

         Измерение С. з. используется для определения многих свойств веществ. Измерение малых изменений С. з. является чувствительным методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерения С. з. и её зависимость от разных факторов позволяют исследовать зонную структуру полупроводников (См. Полупроводники), строение Ферми поверхностей (См. Ферми поверхность) в металлах и пр. Ряд контрольно-измерительных применений ультразвука в технике основан на измерениях С. з.

         Всё вышеизложенное относится к распространению звука в сплошной среде, т. е. С. з. является макроскопической характеристикой среды. Реальные вещества не являются сплошными; их дискретность приводит к необходимости рассмотрения упругих колебаний др. типов. В твёрдом теле понятие С. з. относится только к акустической ветви колебаний кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки).

        

         Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, М., 1970; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.

         А. Л. Полякова.