СКОРОСТЬ ЗВУКА

СКОРОСТЬ ЗВУКА
СКОРОСТЬ ЗВУКА

       
скорость перемещения в среде упругой волны при условии, что форма её профиля остаётся неизменной. Скорость гармонической волны наз. также фазовой скоростью звука. Обычно С. з.— величина постоянная для данного в-ва при заданных внеш. условиях и не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда фазовая скорость оказывается различной для разных частот, говорят о дисперсии звука.
Для газов и жидкостей, где звук распространяется обычно адиабатически (т. е. изменение темп-ры, связанное со сжатиями и разряжениями в звук. волне, не успевает выравниваться за период), С. з. выражается так:
с=?(Kад/r)=?(1/bадr).
где Kад — адиабатич. модуль объёмного сжатия, r — плотность, bад — адиабатич. сжимаемость. В идеальном газе С. з.
с=?(gp0/r)=?(gRT/m). (ф-ла Лапласа),
где g=Cp/Cv — отношение теплоёмкостей при постоянных давлении и объёме, р0 — среднее давление в среде, R — универс. газовая постоянная, m — мол. масса газа. С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в тв. телах, поэтому при сжижении газа С. з. возрастает. Ниже приведены значения С. з. (м/с) для нек-рых 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.
СКОРОСТЬ ЗВУКА В ГАЗАХ ПРИ 0°С И ДАВЛЕНИИ 1 ATM
Азот.........……... 334
Кислород........... 316
Воздух............ … 331
Гелий............. … 965
Водород .......... 1284
Метан............. ... 430
Аммиак............ .. 415
С. з. в газах растёт с ростом темп-ры и давления (при комнатной темп-ре относит. изменение С. з. в воздухе составляет примерно 0,17% при изменении темп-ры на 1°С). В жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростом темп-ры на неск. м/с на 1°С;
СКОРОСТЬ ЗВУКА В ЖИДКОСТЯХ ПРИ 20°С
Вода ........………………..... 1490
Бензол ..........………………. 1324
Спирт этиловый.....…………. 1180
Четырёххлористый углерод 920
Ртуть...........…………………. 1453
Глицерин....………………..... 1923
исключением из этого правила явл. вода, в к-рой С. з. увеличивается с ростом темп-ры и достигает максимума при темп-ре 74°С, а с дальнейшим ростом темп-ры уменьшается. С увеличением давления С. з. в воде увеличивается примерно на 0,01% на 1 атм. В морской воде С. з. увеличивается с ростом темп-ры, солёности и глубины, что определяет ход звук. лучей в море, в частности существование подводного звукового канала.
С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.
С. з. в изотропных тв. телах определяется модулями упругости в-ва и его плотностью. В неограниченной тв. среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) упругие волны, причём фазовая С. з. для продольной волны равна:
СКОРОСТЬ ЗВУКА1
а для сдвиговой:
СКОРОСТЬ ЗВУКА2
где Е — модуль Юнга, G — модуль сдвига, v — коэфф. Пуассона, К — модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн (см. табл.). В тв. телах огранич. размеров имеются и др. типы волн, напр. поверхностные волны, скорость к-рых меньше сl и ct. В пластинах, стержнях и др. тв. волноводах распространяются нормальные волны, скорость к-рых определяется не только хар-ками в-ва, но и геом. параметрами тела. С. з. для продольной волны в тонком стержне равна сl ст= ?(Е/r). В монокрист. тв. телах С. з. зависит от направления распространения волны относительно кристаллографич. осей. Во многих в-вах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от обработки, к-рой они были подвергнуты (прокат, ковка, отжиг и т. п.). В пьезоэлектриках и сегнетоэлектриках С. з. определяется не только модулями упругости, но и пьезомодулями, а также может зависеть от напряжённости электрич. поля.
СКОРОСТЬ ЗВУКА В НЕКОТОРЫХ ТВЁРДЫХ ВЕЩЕСТВАХ
СКОРОСТЬ ЗВУКА3
В ферромагнетиках С. з. зависит от напряжённости магн. поля.
Измерение С. з. используется для определения многих св-в в-ва, таких, как сжимаемость газов и жидкостей, модули упругости твёрдых тел, дебаевская темп-ра и др. Измерение малых изменений С. з. явл. чувствит. методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В тв. телах измерения С. з. и её зависимости от разных факторов позволяют исследовать зонную структуру полупроводников, строение Ферми поверхностей в металлах и пр. Ряд контрольно-измерит. применений УЗ в технике осн. на измерениях С. з.

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

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 8042-13.jpgи 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 8042-14.jpg, где Р - давление в веществе,8042-15.jpg- 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:
8042-16.jpg

где К ад - адиабатич. модуль всестороннего сжатия вещества,8042-17.jpg- адиабатич. сжимаемость,8042-18.jpg- изотермич. сжимаемость,8042-19.jpg=8042-20.jpg - отношениетеплоёмкостей при постоянных давлении и объёме.

В идеальном газе 8042-21.jpg, где R = = 8,31 Дж/моль*К - универсальная газовая постоянная, Т - абс. <темп-pa,8042-22.jpg -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 8042-23.jpgназываютн 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 8042-24.jpg. Изменение С. з. равно 8042-25.jpg, где 8042-26.jpgи 8042-27.jpg- 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 8042-28.jpg, в к-poй в качестве 8042-29.jpgвзята 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
8042-30.jpg

для сдвиговой волны
8042-31.jpg

где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига,8042-32.jpg- коэф. Пуассона, К - модуль объёмного сжатия. Скорость распространенияпродольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн, причём обычновыполняется соотношение 8042-33.jpg. Значения с l и ct для нек-рых изотропныхтвёрдых тел приведены в табл. 3.

Табл. 3 -Скорость звука в некоторых изотропных твёрдых телах
8042-34.jpg

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 ct. Если значения ct 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
8042-35.jpg

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.8042-36.jpg -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):
8042-37.jpg

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.

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


.

См. также в других словарях:

  • Скорость звука — в газах (0 °C; 101325 Па), м/с[1] Азот 334 Аммиак 415 Ацетилен 327 Водород 1284 Воздух 331 Гелий 965 Кислород 316 …   Википедия

  • 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… …   Большая советская энциклопедия

  • СКОРОСТЬ ЗВУКА — скорость распространения звуковых волн в среде. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах (причем для сдвиговых волн скорость всегда меньше, чем для продольных). скорость звука в газах и парах от… …   Большой Энциклопедический словарь

  • Скорость звука — скорость распространения (относительно среды) малых возмущений давления. В совершенном газе (например, в воздухе при умеренных температурах и давлении) С. з. не зависит от характера распространяющегося малого возмущения и одинакова как для… …   Энциклопедия техники

  • скорость звука — скорость распространения звуковых волн в среде. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах (причём для сдвиговых волн всегда меньше, чем для продольных). Скорость звука в газах и парах от 150 до… …   Энциклопедический словарь

  • СКОРОСТЬ ЗВУКА — скорость распространения звук, волн в среде. В газах С. з. меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в тв. телах (причём для сдвиговых волн всегда меньше, чем для продольных). С. з. в газах и парах от 150 до 1000 м/с, в жидкостях от 750… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Замороженная скорость звука — (см. Скорость звука). Авиация: Энциклопедия. М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994 …   Энциклопедия техники

  • Равновесная скорость звука — см. в статье Скорость звука. Авиация: Энциклопедия. М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994 …   Энциклопедия техники

  • местная скорость звука — Скорость распространения звука в газе при его параметрах в данном сечении потока …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • Скорость — У этого термина существуют и другие значения, см. Скорость (значения). Скорость Размерность LT−1 Единицы измерения СИ …   Википедия

Книги

Другие книги по запросу «СКОРОСТЬ ЗВУКА» >>

Поделиться ссылкой на выделенное

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