РЕЛАКСАЦИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ это:

РЕЛАКСАЦИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ
РЕЛАКСАЦИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ

       
внутренние процессы восстановления термодинамич. равновесия среды, нарушаемого сжатиями и разрежениями в звук. волне (см. РЕЛАКСАЦИЯ). Энергия поступат. движения ч-ц среды в звук. волне переходит на их внутр. степени свободы, возбуждая их, в результате чего уменьшается энергия, приходящаяся на поступат. движение. Поэтому Р. а. всегда сопровождается поглощением звука, а также дисперсией звука.
Характерный механизм Р. а. в газах — обмен энергией между поступательными и внутр. степенями свободы молекул. Р. а. может быть колебательной и вращательной, при этом звук. энергия расходуется на возбуждение соответственно колебат. и вращат. степеней свободы молекул. В газах и жидкостях возможна также электронная Р. а., при к-рой возбуждаются электронные уровни молекул; структурная, когда под действием УЗ происходит перестройка внутр. структуры жидкости; химическая, при к-рой под действием УЗ протекают хим. реакции, и т. п. В тв. телах, напр., при распространении УЗ в полупроводниках и металлах акустич. волна нарушает равновесное распределение эл-нов проводимости, что приводит к дополнит. поглощению волны.
Релаксац. процесс обычно характеризуется временем релаксации т, к-рое зависит от микроскопич. свойств в-ва, таких, как число соударений молекул газа в ед. времени и эффективность передачи энергии при этих соударениях. В газе при заданной темп-ре время т прямо пропорц. числу соударений, необходимых для возбуждения соответствующих степеней свободы. Величина т зависит от темп-ры и давления, поскольку при изменении этих величин изменяется частота соударений между молекулами.
Влияние релаксац. процессов на акустич. волну зависит от соотношения между её периодом Т и величиной т: чем меньше отношение t/Т, тем полнее успевает восстановиться нарушенное равновесие; чем это отношение больше, тем в меньшей степени равновесие восстанавливается. Наиболее заметно влияние Р. а. на акустич. волну проявляется на частотных зависимостях скорости и поглощения звука: вблизи т. н. частот релаксации wр=1/t наблюдаются сильная дисперсия скорости звука и максимум коэфф. поглощения звука на длину волны.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

РЕЛАКСАЦИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ

- процесс восстановления термодинамич. равновесия среды, к-рое было нарушено из-за изменения давления и темп-ры при прохождении звуковой волны. Р. а.- необратимый процесс, при к-ром энергия поступат. движения молекул или ионов в звуковой волне переходит на внутр. степени свободы, возбуждая их, в результате чего энергия звуковой волны уменьшается, т. е. происходит поглощение звука. Р. а. также всегда сопровождается дисперсией звука.

Простейший вид Р. а.- релаксация внутримолекулярного возбуждения, или кнезеровская релаксация. Такая Р. а. происходит, напр., в двухатомных и многоатомных газах, где энергия поступат. движения молекул в звуковой волне переходит в энергию, связанную с колебат. и вращат. степенями свободы молекул, т. е. изменяется заселённость вращат. и колебат. уровней. Др. виды Р. а.: структурная релаксация в жидкостях, при к-рой акустич. волна инициирует изменение ближнего порядка в расположении молекул жидкости; хим. релаксация, при к-рой под действием звука сдвигается равновесие в хим. реакции. В твёрдом теле звуковая волна нарушает равновесное распределение фононов, что приводит к релаксац. процессам, определяющим решёточное поглощение звука. Один из видов Р. а. в твёрдом теле - релаксация разл. дефектов кристаллической решётки - как точечных, так и линейных ( дислокаций), связанная с движением дефектов под действием механич. напряжений в упругой волне. При распространении звука в полупроводниках и металлах нарушается равновесное распределение электронов проводимости, что также приводит к релаксации, а следовательно, к дополнит. поглощению звука.

Для описания отклонения системы от равновесия вводят дополнит. параметр x, к-рый в зависимости от вида релаксац. процесса может иметь разл. физ. смысл (напр., величина x может описывать отклонение концентрации возбуждённых молекул от равновесной, изменение заселённостей уровней для двухуровневой системы, концентрацию одного из компонентов хим. реакции при хим. релаксации и т. п.). Для описания распространения звука в среде с релаксацией рассматриваются как "внеш." параметры, такие, как давление, плотность и темп-pa, так и "внутр." параметр x, изменение к-рого со временем описывается ур-нием

4038-31.jpg

где т - время релаксации, x0 - равновесное значение параметра x.

Звуковое давление p в акустич. волне, распространяющейся в среде с релаксацией, оказывается равным сумме давления р 0, обусловленного только изменением плотности, и добавочного давления 4038-32.jpg, возникающего из-за наличия релаксац. процесса. Это добавочное давление сдвинуто по фазе относительно изменения плотности, что приводит к дополнит. (релаксац.) поглощению звука. Из решения ур-ния (1) для гармонич. волны можно видеть, что при разных частотах звука отклонение x от равновесного значения различно, поэтому добавочное давление при том же изменении плотности оказывается разным при разных частотах. Соответственно скорость звука 4038-33.jpg также зависит от частоты, т. е. за счёт Р. а. возникает дисперсия скорости звука. Изменение с с частотой происходит от макс. значения 4038-34.jpgна высоких частотах 4038-35.jpgкогда процесс установления равновесия не успевает за изменениями плотности, до мин. значения с 0 на низких частотах, когда равновесие полностью успевает установиться при колебаниях плотности и избыточное давление d р = 0.

Учёт релаксации при распространении звука эквивалентен введению комплексной сжимаемости. Волновое число звуковой волны k связано с частотой w соотношением

4038-36.jpg

Скорость звуковой волны и соответствующий коэф. релаксац. поглощения ap в зависимости от частоты выражаются приближёнными ф-лами

4038-37.jpg

4038-38.jpg

если поглощение звука на длине волны мало (apl 4038-39.jpg1) и дисперсия скорости звука невелика, т. е. как это имеет место для большинства релаксац.4038-40.jpgпроцессов. Скорость звука и коэф. поглощения звука в среде с релаксацией связаны между собой Крамерса - Кронига соотношением.

Рис. 1. Зависимость квадрата скорости звука с 2 от частоты w для одного релаксационного процесса, wr = = 1/т.


4038-41.jpg

Зависимости скорости звука и коэф. поглощения от частоты для одного релаксац. процесса имеют универсальный характер независимо от физ. механизма, к-рый лежит в основе Р. а. (рис. 1 и 2). Влияние Р. а. на поглощение и скорость звука зависит от соотношения между периодом волны и временем релаксации, т. е. от величины wт, к-рая характеризует степень восстановления равновесия. Чем меньше wт, тем полнее равновесие успевает восстановиться за период волны. На малых частотах, т. е. при wт 4038-42.jpg1, добавочное поглощение может быть описано введением объёмной вязкости с эфф.. значением коэф. объёмной вязкости 4038-43.jpg= При этом коэф. поглощения пропорц. w2, а скорость 4038-44.jpgзвука равна с 0. На больших частотах при 4038-45.jpgравновесие не успевает восстановиться за период звуковой волны и коэф. поглощения звука стремится к пост, величине, равной 4038-46.jpg При wт = 1 коэф. поглощения, умноженный на длину волны, имеет максимум, равный apl =4038-47.jpg Т. о., величина дисперс. скачка e = (4038-48.jpgи поглощение на длине волны при wт = 1 различаются в p раз для любых сред. Определяя величины e и т из измерений поглощения и скорости звука, можно установить параметры, характеризующие релаксац. процесс (акустич. спектроскопия), а также определять такие свойства вещества, как теплоёмкость, постоянную Грюнайзена и др.

Ввиду большой ширины дисперс. области (более двух порядков по частоте) для эксперим. определения величины e и т нужно проводить измерения с и ap в широком интервале частот по обе стороны частоты релаксации wp = 1/т. На практике релаксац. поглощение звука накладывается на обычное поглощение, обусловленное вязкостью и теплопроводностью, поэтому эксперим. кривые для apl не имеют таких ярко выраженных максимумов, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость коэффициента релаксационного поглощения звука a р на длину волны l от круговой частоты w.


4038-49.jpg


Для получения кривых релаксац. поглощения необходимо исключить вклад др. видов поглощения. Если неск. релаксац. процессов сильно различаются по временам релаксации, то дисперс. области разделяются (рис. 3), а если времена релаксации близки друг к другу, то вид релаксац. кривых усложняется.

Большинство механизмов Р. а. с т 4038-50.jpg10-9 с проявляется только при объёмных деформациях и даёт вклад в объёмную вязкость. В жидкостях и твёрдых телах, однако, за счёт структурной релаксации возможна зависимость от частоты и для сдвиговой вязкости. В маловязких жидкостях (вода и др.) она возникает на очень высоких частотах (4038-51.jpg), а в жидкостях с большой вязкостью (напр., в салоле) такая зависимость наблюдалась экспериментально.


4038-52.jpg


Время релаксации т характеризует то время, за к-рое параметр x, описывающий отклонение системы от равновесия, уменьшится в е раз:4038-53.jpg

Время релаксации зависит от микроскопич. свойств вещества, таких, напр., как число соударений молекул газа в единицу времени и эффективности передачи энергии при этих соударениях. В газе при заданной темп-ре время релаксации прямо пропорционально числу соударений, необходимых для возбуждения соответствующих степеней свободы. Напр., при нормальных условиях в газе для возбуждения вращат. степеней свободы молекул обычно достаточно 100 соударений, а для возбуждения колебат. степени свободы нужно 105-106 соударений. Это означает, что величина т для колебат. релаксации гораздо больше, чем для вращательной. Время релаксации зависит от давления и темп-ры. Так, в газах обычно 4038-54.jpg где P- давлеРис. 3. Зависимость нормированной скорости звука с/с 0 и коэффициента релаксационного поглощения a/p на длину волны l от частоты w, отнесённой к давлению газа р, при наличии двух релаксационных процессов.

ние газа. Поэтому релаксац. кривые для газов обычно изображаются как ф-ции величины w/P. Это позволяет при эксперим. определении зависимостей a р и с от w изменять давление газа, а не частоту звука, что сильно упрощает измерения. В многоатомных газах обычно преобладает колебат. релаксация. Области частот, в к-рых проявляются колебат. и вращат. релаксации, обычно чётко разделяются, т. к. времена релаксации для этих двух процессов различаются на неск. порядков. Наличие примесей др. газов влияет на время релаксации. Напр., в воздухе осн. вклад в поглощение звука даёт колебат. релаксация молекул O2 и N2, причём частота релаксации для О 2 выше, чем для N2. Примеси паров воды и изменение темп-ры воздуха существенно влияют на положение релаксац. максимума. В двухатомных газах значения т обычно очень велики и область релаксации лежит в звуковом диапазоне частот. Для более сложных газов частота wp выше (порядка 105-107 Гц при давлении 1 атм).

В жидкостях времена релаксации значительно меньше, чем в газах, т. к. все процессы перестройки жидкостей совершаются быстрее. Поэтому в большинстве жидкостей частота Р. а. лежит в области гиперзвука.

В твёрдых диэлектриках при отклонении системы фононов от равновесия время релаксации связано с временем жизни фононов 4038-55.jpg где 4038-56.jpg- коэф. теплопроводности, С- теплоёмкость решётки, 4038-57.jpg- ср. значение скорости звука,4038-58.jpgпри темп-ре Т порядка и выше дебаевской. При распространении звука в пьезополупроводниках частота релаксации wp растёт с ростом проводимости кристалла и уменьшается с ростом темп-ры и подвижности носителей тока, а величина дисперсии скорости звука определяется коэф. электромеханич. связи. Дислокац. поглощение звука в монокристаллах также имеет релаксац. характер, причём время релаксации зависит от длины колеблющегося отрезка дислокации, вектора Бюргерса и постоянных решётки. Релаксац. процессы имеют место также в полимерах, резинах и разл. вязкоупругих средах, в этих веществах наблюдается значит. дисперсия скорости звука, связанная с релаксацией механизма высокой эластичности.

Лит.: Мандельштам Л. И., Леонтович М. А., К теории поглощения звука в жидкостях, "ЖЭТФ", 1937, т. 7, в. 3, с. 438; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сыр-ников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А и Б, М., 1968-69; Hеrzfeld К. F., Litоvitz T. А., Absorption and dispersion of ultrasonic waves, N. Y.- L., 1959.

А. Л. Полякова.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "РЕЛАКСАЦИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ" в других словарях:

  • АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ — раздел экс перим. акустики, в к ром изучаются частотные зависимости параметров распространения звука (коэфф. затухания и скорости распространения) с целью определения структуры или свойств вещества. Распространены методы А. с., основанные на… …   Физическая энциклопедия

  • акустическая релаксация — akustinė relaksacija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. acoustic relaxation; sound relaxation vok. Schallrelaxation, f rus. акустическая релаксация, f; звуковая релаксация, f pranc. relaxation acoustique, f …   Fizikos terminų žodynas

  • РЕЛАКСАЦИЯ — (от лат. relaxatio ослабление), процесс установления в системе термодинамического равновесия. Состояние макроскопич. системы определяется мн. параметрами, и процессы достижения равновесия по разным параметрам могут протекать с разл. скоростями.… …   Химическая энциклопедия

  • звуковая релаксация — akustinė relaksacija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. acoustic relaxation; sound relaxation vok. Schallrelaxation, f rus. акустическая релаксация, f; звуковая релаксация, f pranc. relaxation acoustique, f …   Fizikos terminų žodynas

  • ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА — явление необратимого перехода энергии звуковой волны в др. виды энергии и, в частности, в теплоту. Характеризуется коэфф. поглощения а, к рый определяется как обратная величина расстояния, на к ром амплитуда звуковой волны уменьшается в е=2,718… …   Физическая энциклопедия

  • УЛЬТРАЗВУК — упругие волны с частотами прибл. от (1,5 2)•104Гц (15 20 кГц) до 109 Гц (1 ГГц); область частот У. от 109 до 1012 1013 Гц принято наз. гиперзвуком. Область частот У. удобно подразделять на три диапазона: У. низких частот (1,5•104 105 Гц), У.… …   Физическая энциклопедия

  • МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА — раздел физ. акустики, в к ром св ва в ва и кинетика мол. процессов исследуются акустич. методами. Осн. методами М. а. явл. измерение скорости звука и поглощения звука и зависимостей этих величин от частоты звук. волны, темп ры, давления и др.… …   Физическая энциклопедия

  • ОБЪЕМНАЯ ВЯЗКОСТЬ — (вторая вязкость), величина, феноменологически характеризующая процесс диссипации энергии при объёмных деформациях среды. В отличие от обычной стоксовой, или сдвиговой, вязкости, характеризующей необратимую передачу энергии поступат. движения… …   Физическая энциклопедия

  • ДИСПЕРСИЯ ЗВУКА — (дисперсия скорости звука), зависимость фазовой скорости гармонич. звук. волн от их частоты. Д. з. может быть обусловлена как физ. св вами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в к ром авук. волна… …   Физическая энциклопедия

  • ХОХЛОВА- ЗАБОЛОТСКОЙ УРАВНEНИЕ — описыва ет трансформацию профилей и спектров нелинейных дифрагирующих волн, локализованных в пространстве в виде пучков, поперечный размер к рых велик по сравнению с длиной волны. Опубликовано Р. В. Хохловым и Е. А. Заболотской в 1968. Это одно… …   Физическая энциклопедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»