Табличне значення швидкості звуку повітря. Звук у різних середовищах - Гіпермаркет знань

Звук є супутником людини протягом усього її життя, але мало хто замислюється, що він є. З фізичної точки зору звук можна визначити як коливальні рухи частинок в пружному середовищі, спричинені будь-яким джерелом, коротко - пружні хвилі. Швидкість звуку залежить від властивостей середовища, в якому він поширюється: в газах швидкість звуку зростає зі зростанням температури і тиску, в рідинах при зростанні температури навпаки знижується (виключенням є вода, в якій швидкість звуку досягає максимуму при 74 ° С і починає знижуватися тільки при збільшення даної температури). Для повітря така залежність виглядає так:

З = 332 + 0,6t c

де t c – температура навколишнього середовища, °С.

Таблиця 1. Швидкість звуку в газах, при температурі 0 ° С та тиск 1 атм.

Таблиця 2. Швидкість звуку рідинах при температурі 20 °З.

У твердих тілах швидкість звуку визначається модулем пружності речовини та її щільністю, причому у поздовжньому і поперечному напрямі в необмежених ізотропних твердих тілах вона відрізняється.

Таблиця 3. Швидкість звуку у твердому тілі.

З таблиць наочно видно, що швидкість звуку в газах значно нижча, ніж у твердих тілах, саме тому в пригодницьких фільмах часто можна побачити, як люди прикладають вухо до землі, щоб визначити наявність погоні за собою, також це явище помітне поряд із залізницею. коли звук поїзда, що приходить, чується двічі - вперше він передається по рейках, а другий - по повітрю.

Процес коливального руху звукової хвилі в пружному середовищі можна описати на прикладі коливання частки повітря:

На частинку повітря, змушену зрушити зі своєї початкової позиції, через вплив джерела звуку, діють пружні сили повітря, які намагаються повернути її на своє початкове місце, але через дію сил інерції, повертаючись, частка не зупиняється, а починає віддалятися від початкової позиції у протилежний бік, де у свою чергу на неї також діють пружні сили та процес повторюється.

Малюнок 1. Процес коливання частки повітря

На малюнку (малюнок №2) маленькими точками образно представлені молекули повітря (у кубометрі повітря їх понад мільйон). Тиск в області компресії дещо перевищує атмосферний, а в області розрідження, навпаки, - нижче за атмосферний. Напрямок малих стрілочок показує, що, в середньому, молекули рухаються праворуч із області високого тиску і ліворуч із області низького. Будь-яка з представлених молекул спочатку проходить певну відстань у праву сторону, а потім таку ж відстань у ліву, щодо своєї початкової позиції, тоді як звукова хвиля рухається рівномірно в праву сторону.

Малюнок 2. Переміщення звукової хвилі

Логічно поставити запитання – чому звукова хвиля переміщається вправо? Відповідь можна знайти при уважному розгляді стрілочок на попередньому малюнку: у місці, де стрілочки стикаються з один одним утворюється нове скупчення молекул, яке буде праворуч від початкової області компресії, при віддаленні від місця зіткнення стрілочок щільність молекул знижується і утворюється нова область розрідження , отже поступове переміщення області високого та низького тиску призводить до руху звукової хвилі у праву сторону.

Рисунок 3. Процес переміщення звукової хвилі

Хвильовий рух такого роду називається гармонійними або синусоїдальними коливаннями, яке описується наступним чином:

x(t) = Asin(wt + φ)

Проста гармонійна або синусоїдальна хвиля зображена на малюнку (Малюнок №4):

Малюнок 4. Синусоїдальна хвиля

Довжина хвилі залежить від частоти та швидкості звуку:

Довжина хвилі (м) = Швидкість хвилі (м/с) / Частота (Гц)

Відповідно частота визначається наступним чином:

Частота (Гц) = Швидкість хвилі (м/с) / Довжина хвилі (м)

З цих рівнянь видно, що із збільшенням частоти – довжина хвилі зменшується.

Таблиця 4. Довжина хвилі в залежності від частоти звуку (при температурі 20 °С)

Інтенсивність звуку знижується зі збільшенням відстані від джерела звуку. Якщо звукова хвиля своєму шляху немає перешкод, то звук із джерела поширюється у всіх напрямах. На малюнку (рисунок №5) зображено характер зміни інтенсивності звуку – сила звуку залишається постійною, але площа впливу збільшується, саме тому в окремо взятій точці інтенсивність звуку знижується.

Рисунок 5. Процес поширення звукової хвилі

Залежно від виду джерела звуку існує кілька видів звукових хвиль: плоскі, сферичні та циліндричні.

Рисунок 6. Види джерел звуку та схематичне зображення фронту хвилі
а - протяжна пластина; б - точкове джерело; в - лінійне джерело.

Плоскі хвилі при поширенні не змінюють форму і амплітуду, сферичні не змінюють форму (амплітуда зменшується як 1/r), циліндричні змінюють і форму, і амплітуду (зменшується як 1/№r).

Вступ.

Концепція звукузазвичай асоціюється у нас зі слухом і, отже, з фізіологічними процесами у вухах, і навіть з психологічними процесами у мозку (там відбувається переробка відчуттів, які у органи слуху). Крім того, під звукомми розуміємо фізичне явище, що викликає дію наші вуха, саме поздовжні хвилі. Якщо такі пружні хвилі, що розповсюджуються в повітрі, мають частоту в межах від 16 до 20000 Гц, то, досягнувши людського вуха, вони викликають відчуття звуку. Відповідно пружні хвилі в будь-якому середовищі, що мають частоту, укладену в зазначених межах, називають звуковими хвилямиабо просто звуком. Пружні хвилі з частотами, меншими за 16 Гц, називають інфразвуком; хвилі з частотами, що перевищують 20000 Гц, називають ультразвуком. Інфра- та ультразвуки людське вухо не чує.

Для людини, що слухає, відразу стають очевидними дві характеристики звуку, а саме його гучність і висота. Гучністьпов'язана з інтенсивністю звукової хвилі, яка пропорційна квадрату амплітуди хвилі. Висотазвуку показує, чи він високим, як у скрипки чи віолончелі, чи низьким, як звук великого барабана чи басової струни. Фізичною величиною, що характеризує висоту звуку є частота коливань звукової хвилі, що вперше помітив Галілей. Чим менша частота, тим нижча висота звуку, а чим більша частота, тим звук вищий.

Однією з важливих характеристик звуку є його швидкість. Швидкість звуку – це швидкість поширення звукових хвиль у середовищі. У газах швидкість звуку менше, ніж у рідинах, а рідинах менше, ніж у твердих тілах (причому для поперечних хвиль швидкість завжди менше, ніж поздовжніх). Швидкість звуку в газах та парах від 150 до 1000 м/с, рідинах від 750 до 2000 м/с, у твердих тілах від 2000 до 6500 м/с. У повітрі за нормальних умов швидкість звуку 330 м/с, у воді - 1500 м/с.

Також у рефераті розглядається ефект, існування якого у 1842 року вказав КРИСТІАН ДОПЛЕР (Допплер) (Doppler) (1803-53), австрійський фізик та астроном. Пізніше цей ефект названо його ім'ям.

1. Швидкість звукових хвиль у різних середовищах.

Ми зазвичай вважаємо, що звук поширюється у повітрі, тому що, як правило, саме повітря контактує з нашими барабанними перетинками, і його коливання змушують вагатися ці перетинки. Проте звукові хвилі можуть поширюватися й інших речовинах. Удари двох каменів один про одного плавець може чути, перебуваючи під водою, оскільки коливання передаються юшці водою. Якщо прикласти вухо до землі, можна почути наближення поїзда чи трактора. В цьому випадку земля не впливає безпосередньо на ваші барабанні перетинки. Однак поздовжню хвилю, що розповсюджується в землі, називають звуковою хвилею, оскільки її коливання призводять до коливань повітря у зовнішньому вусі. Справді, поздовжні хвилі, що розповсюджуються у будь-якому матеріальному середовищі, часто називають звуковими. Очевидно, звук не може поширюватися за відсутності речовини. Наприклад, не можна почути брязкіт дзвона, що знаходиться всередині судини, з якої викачано повітря [досвід Роберта Бойля (1660 рік)].

Швидкість звукуу різних речовинах має різні значення. У повітрі при температурі 0 про C та тиск 1 атм звук поширюється зі швидкістю 331,3 м/с. У повітрі та інших газоподібних та рідких середовищах швидкість залежить від модуля всебічного стиснення Bі густини середовища (речовини) r:

У гелії, щільність якого значно менша, ніж щільність повітря, а модуль всебічного стиснення майже такий самий, швидкість звуку більша втричі. У рідинах і твердих тілах, які значно менш стисливі і, отже, мають значно більші модулі пружності, швидкість відповідно більша. Значення швидкості звуку різних речовин наведені в таблицях 1.1, 1.2, 1.3; вони найбільше залежать від температури (див. таблиці 1.4, 1.5), однак ця залежність істотна тільки для газів і рідин. Наприклад, у повітрі при підвищенні температури на 1 о C швидкість звуку зростає приблизно на 0,60 м/с:

u»(331+0,60T) м/с,

де T-температура про C. Наприклад, при 20 про C ми маємо:

u» м/с = 343 м/с.

2. Ефект Доплера в акустиці.

Ви могли помітити, що висота звуку сирени пожежної машини, що рухається з великою швидкістю, різко падає після того, як ця машина пронесеться повз вас. Можливо, ви помічали також зміну висоти сигналу автомобіля, що проїжджає на великій швидкості повз вас. Висота звуку двигуна гоночного автомобіля теж змінюється, коли він проїжджає повз спостерігача. Якщо джерело звуку наближається до спостерігача, висота звуку зростає в порівнянні з тим, коли джерело звуку спочивало. Якщо джерело звуку віддаляється від спостерігача, то висота звуку знижується. Це явище називається ефектом Доплераі має місце всім типів хвиль. Розглянемо тепер причини його виникнення та обчислимо зміну частоти звукових хвиль, обумовлену цим ефектом.

Ефект Доплера: а - обидва спостерігачі на тротуарі чують звук сирени, що стоїть на місці пожежної машини на одній і тій же частоті; б - спостерігач, якого наближається пожежна машина, чує звук вищої частоти, а спостерігач, від якого машина віддаляється, чує нижчий звук.

Розглянемо для конкретності пожежний автомобіль, сирена якого, коли автомобіль стоїть на місці, випромінює звук певної частоти у всіх напрямках, як показано на рис. 2.1,а. Нехай тепер пожежний автомобіль почав рухатись, а сирена продовжує випускати звукові хвилі на тій самій частоті. Однак під час руху звукові хвилі, що випускаються сиреною вперед, розташовуватимуться ближче один до одного, ніж у випадку, коли автомобіль не рухався, що і показано на рис. 2.1,б. Це відбувається тому, що в процесі свого руху пожежний автомобіль наздоганяє випущені раніше хвилі. Таким чином, спостерігач біля дороги помітить більше хвильових гребенів, що проходять повз нього в одиницю часу, і, отже, для нього частота звуку буде вищою. З іншого боку, хвилі, що розповсюджуються за автомобілем, будуть далі відстояти один від одного, оскільки автомобіль як би «відривається» від них. Отже, за одиницю часу повз спостерігач, що знаходиться позаду автомобіля, пройде менше хвильових гребенів, і висота звуку буде нижче.

Рис. 2.2.

Щоб визначити зміни частоти, скористаємося рис. 2.2. Вважатимемо, що в нашій системі відліку повітря (або інше середовище) спочиває. На рис. 2.2 джерело звуку (наприклад, сирена) перебуває у спокої. Показані послідовні гребені хвиль, причому один із них щойно випущений джерелом звуку. Відстань між цими гребенями дорівнює довжині хвилі l. Якщо частота коливань джерела звуку дорівнює |, то час, що минув між випромінюваннями хвильових гребенів, дорівнює

T= 1/|.

На рис. 2.3 джерело звуку рухається зі швидкістю uіст. За час T (воно щойно було визначено) перший гребінь хвилі пройде відстань d =uT, де u- швидкість звукової хвилі в повітрі (яка, звичайно, буде та сама незалежно від того, рухається джерело чи ні). За цей час джерело звуку переміститься на відстань dіст = uіст T. Тоді відстань між послідовними гребенями хвилі, що дорівнює новій довжині хвилі l`, запишеться у вигляді

l` = d + dіст = ( u +uіст) T= (u +uіст) / |,

оскільки T= 1/|. Частота хвилі дається виразом

¦`= u/l` = u¦/ ( u +uіст),

¦` = / (1 +uіст /u) [джерело звуку віддаляється від спостерігача, що покоїться].

Оскільки знаменник дробу більше одиниці, ми маємо |<¦. Например, если источник создаёт звук на частоте 400 Гц, когда он находится в покое, то, когда источник начинает двигаться в направлении от наблюдателя, стоящего на месте, со скоростью 30 м/с, последний услышит звук на частоте (при температуре 0 о C)

? = 400 Гц / 1 + (30 м / с) / (331 м / с) = 366,64 Гц.

Нова довжина хвилі для джерела, що наближається до спостерігача зі швидкістю uіст, дорівнюватиме

l` = d - dіст.

У цьому частота ¦` дається виразом

¦` = / (1 -uіст /u) [джерело звуку наближається до спостерігача, що покоїться].

Ефект Доплера виникає також у тому випадку, коли джерело звуку спочиває (щодо середовища, в якому поширюються звукові хвилі), а спостерігач рухається. Якщо спостерігач наближається до джерела звуку, він чує звук більшої висоти, ніж джерелом. Якщо ж спостерігач віддаляється від джерела, звук здається йому нижче. Кількісно зміна частоти тут мало відрізняється від випадку, коли джерело рухається, а спостерігач спочиває. У цьому випадку відстань між гребенями хвилі (довжина хвилі l) не змінюється, а змінюється швидкість руху гребенів щодо спостерігача. Якщо спостерігач наближається до джерела звуку, то швидкість хвиль щодо спостерігача дорівнюватиме u` = u + uнабл, де u- швидкість поширення звуку в повітрі (ми припускаємо, що повітря спочиває), а uнабл - швидкість спостерігача. Отже, нова частота дорівнюватиме

¦`= u` /l = (u + uнабл)/ l,

або, оскільки l= u /¦,

`` = (1 +uнабл /u) | [спостерігач наближається до джерела звуку, що покоїться].

У разі ж, коли спостерігач віддаляється від джерела звуку, відносна швидкість дорівнюватиме u` = u - uнабл,

? = (1 -uнабл /u) [спостерігач віддаляється від джерела звуку, що покоїться].

Якщо звукова хвиля відбивається від перешкоди, що рухається, то частота відбитої хвилі через ефект Доплера буде відрізнятися від частоти падаючої хвилі, тобто. відбудеться так зване доплерівське зрушення частоти. Якщо падаючу і відбиту звукові хвилі накласти один на одного, то виникне суперпозиція, а це призведе до биття. Частота биття дорівнює різниці частот двох хвиль. Такий прояв ефекту Доплера широко використовується в різних медичних приладах, що використовують, як правило, ультразвукові хвилі в діапазоні мегагерц частот. Наприклад, відбиті від червоних кров'яних тілець ультразвукові хвилі можна використовувати визначення швидкості кровотоку. Аналогічним чином цей метод можна застосовувати виявлення руху грудної клітини зародка, і навіть для дистанційного контролю над серцебиттями. Слід зауважити, що ефект Доплера лежить також в основі методу виявлення за допомогою радара автомобілів, які перевищують швидкість руху, але в цьому випадку використовуються електромагнітні (радіо) хвилі, а не звукові.

Точність співвідношень (2.1) та (2.2) знижується, якщо uіст або uнаближаються до швидкості звуку. Це з тим, що зміщення частинок середовища не буде пропорційно повертає силі, тобто. виникнуть відхилення від закону Гука, тому більшість наших теоретичних міркувань втратить силу.

Висновок.

Звук поширюється у вигляді поздовжньої хвилі у повітрі та інших середовищах. Швидкість звуку повітря збільшується зі зростанням температури; при 0 про З вона дорівнює приблизно 331 м/с.

Ефект Доплера полягає в тому, що рух джерела звуку чи слухача викликає зміну висоти звуку. Характерний будь-яких хвиль (світло, звук тощо. буд.). При наближенні джерела до приймача lзменшується, а при видаленні зростає на величину l - lпро = nlпро /c, де lпро - довжина хвилі джерела, c- швидкість поширення хвилі, n- Відносна швидкість руху джерела. Іншими словами, якщо джерело звуку та слухач зближуються, то висота звуку зростає; якщо ж вони віддаляються один від одного, то висота звуку знижується.

Список літератури.

1. Велика енциклопедія Кирила та Мефодія 2001 (2 CD-ROM).

2. Джанколі Д. Фізика: У 2-х т. Т. 1: Пров. з англ. - М.: Світ, 1989. - 656 с., Іл.

3. Єнохович А. С. Короткий довідник з фізики. - 2-ге вид., Перераб і доп. - М.: Вища школа, 1976. - 288с., Іл.

4. Савельєв І. В. Курс загальної фізики: Навч. допомога. У 3-х т. Т. 2. Електрика та магнетизм. Хвилі. Оптика. - 3-тє вид., Випр. - М.: Наука. Гол. ред. фіз.-мат. літ., 1988. - 496 с., Іл.

додатокA.

додатокB.

Таблиці.

Примітка.Температурний коефіцієнт швидкості звуку показує, на скільки метрів в секунду збільшується швидкість звуку в речовині при підвищенні температури на 1 о C. Знак мінус показує, що дана рідина має негативний температурний коефіцієнт швидкості. Це означає, що зі збільшенням температури швидкість звуку рідини зменшується. Виняток - вода, при підвищенні температури від 0 до 74 о C швидкість звуку в ній збільшується. Найбільша швидкість звуку у воді при 74 ° C дорівнює 1555,5 м/с.

1.25. 3ВУКОВІ ХВИЛІ

Концепція звукової хвилі. Швидкість звуку у різних середовищах. Фізичні характеристики звуку: інтенсивність, спектр, висота тону, гучність, згасання. Ультразвук та його застосування. Ефект Доплера. Ударні хвилі.

Звукові хвилі.

Важливим видом поздовжніх хвиль є звукові хвилі . Так називаються хвилі із частотами 17 – 20000 Гц. Вчення про звук називається акустикою. В акустиці вивчаються хвилі, які поширюються у повітрі, а й у будь-якому іншому середовищі. Пружні хвилі з частотою нижче 17 Гц називаються інфразвуком, і з частотою понад 20000 Гц – ультразвуком.

Звукові хвилі - пружні коливання, що поширюються у вигляді хвильового процесу в газах, рідинах, твердих тілах.

Надлишковий звуковий тиск. Зрівняння звукової хвилі.

Рівняння пружної хвилі дозволяє обчислити зміщення будь-якої точки простору, яким проходить хвиля, у будь-який момент часу. Але як говорити про усунення частинок повітря чи рідини від положення рівноваги? Звук, поширюючись в рідині або газі, створює області стиснення та розрядження середовища, в яких тиск відповідно підвищується або знижується порівняно з тиском незбурненого середовища.

Якщо - тиск і щільність незбурненого середовища (середовища, по якому не проходить хвиля), а - тиск і щільність середовища при поширенні в ньому хвильового процесу, то величина називається надлишковим тиском . Величина є максимальне значення надлишковий тиск (амплітуда надлишкового тиску ).

Зміна надлишкового тиску для плоскої звукової хвилі (тобто рівняння плоскої звукової хвилі) має вигляд:

де y - Відстань від джерела коливань точки, надлишковий тиск в якій ми визначаємо в момент часу t.

Якщо ввести величину надмірної щільності та її амплітуди так само, як ми вводили величину надлишкового звукового тиску, то рівняння плоскої звукової хвилі можна було б записати так:

. (30.2)

Швидкість звуку- швидкість поширення звукових хвиль у середовищі. Як правило, в газах швидкість звуку менша, ніж в рідинах, а в рідинах швидкість звуку менше, ніж у твердих тілах. Чим більша щільність, тим більша швидкість звуку. Швидкість звуку в будь-якому середовищі обчислюється за формулою: де - адіабатична стисливість середовища; - щільність.

Об'єктивні та суб'єктивні характеристики звуку.

Саме слово “звук” відбиває два різних, але взаємозалежних поняття: 1)звук як фізичне явище; 2) звук – те сприйняття, яке відчуває слуховий апарат (людське вухо) і відчуття, що у нього у своїй. Відповідно характеристики звуку поділяються на об'єктивні , які можуть бути виміряні фізичною апаратурою, та зуб'єктивні , обумовлені сприйняттям цього звуку людиною.

До об'єктивних (фізичних) характеристик звуку відносяться характеристики, які описують будь-який хвильовий процес: частота, інтенсивність та спектральний склад. У таблицю1. включені порівняльні дані об'єктивних та суб'єктивних характеристик.

Таблиця 1.

Частота звуку вимірюється числом коливань частинок середовища, що у хвильовому процесі, в 1 секунду.

Інтенсивність хвилі вимірюється енергією, що переноситься хвилею в одиницю часу через одиничну площу (розташовану перпендикулярно до напряму поширення хвилі).

Спектральний склад (спектр) звуку вказує з яких коливань складається цей звук і як розподілені амплітуди між окремими його складовими.

Розрізняють суцільні та лінійчасті спектри . Для суб'єктивної оцінки гучності використовуються величини, які називаються рівнем сили звуку та рівнем гучності .

Таблиця 2 Об'єктивні характеристики механічних хвильових процесів.

Для характеристики величин, що визначають сприйняття звуку, суттєвими є не так абсолютні значення інтенсивності звуку і звукового тиску, скільки їх відношення до деяких порогових значень. Тому вводяться поняття відносних рівнів інтенсивності та звукового тиску.

Щоб звукова хвиля сприймалася на слух, необхідно, щоб її інтенсивність перевищувала б мінімальну величину, звану порогом чутності . Розмір різна для різних частот. Для частоти поріг чутності становить величину порядку. Досвідом встановлено, що на кожній частоті є верхня межа сили звуку, при перевищенні якого у людини виникають болючі відчуття. Величина називається порогом больового відчуття.

Рівень інтенсивності (Рівень сили звуку) дорівнює десятковому логарифму відношення інтенсивності звуку при даній частоті до інтенсивності звуку при тій же частоті на порозі чутності:

.

Гучність звуку - Суб'єктивне сприйняття сили звуку (абсолютна величина слухового відчуття). Гучність головним чином залежить від звукового тиску та частоти звукових коливань. Також на гучність звуку впливають його тембр, тривалість впливу звукових коливань та інші чинники. Рівень гучності дорівнює десятковому логарифму відношення інтенсивності звуку при даній частоті до інтенсивності звуку при частоті 1000 Гц на порозі чутності:

.

Одиницею вимірювання рівня інтенсивності є білий (Б): . Одна десята частина білого називається децибел (дБ): 0,1Б = 1дБ. Формула для визначення рівня інтенсивності в децибелах набуде вигляду:

.

Якщо записати формулу для рівня гучності у вигляді то одиницею виміру в СІ при такому визначенні величини є одиниця, що має назву фон. При частоті 1000 Гц шкала фонів і децибел збігаються, інших частот вони різні.

Рівень звукового тиску дорівнює добутку 20 на логарифм відношення звукового тиску при даній частоті звукового тиску на порозі чутності. Одиницею виміру у разі є децибел.

.

Ультразвук:Механічні хвилі з частотою коливання, більшою за 20000Гц, не сприймаються людиною як звук.

Ультразвук являє собою хвилеподібний коливальний рух частинок середовища, що поширюється, і характеризується рядом відмінних особливостей порівняно з коливаннями чутного діапазону. У ультразвуковому діапазоні частот порівняно легко одержати спрямоване випромінювання; ультразвукові коливання добре піддаються фокусуванню, внаслідок чого підвищується інтенсивність ультразвукових коливань у певних зонах впливу. При поширенні в газах, рідинах і твердих тілах ультразвук породжує унікальні явища, багато з яких знайшли практичне застосування в різних галузях науки та техніки. Пройшло трохи більше ста років від початку досліджень у галузі застосування ультразвукових коливань. За цей час в активі людства з'явилися десятки високоефективних, ресурсозберігаючих та екологічно безпечних ультразвукових технологій. До них відносяться: технології загартування, лудіння і паяння металів, запобігання утворенню накипу на теплообмінних поверхнях, свердління крихких і особливо твердих матеріалів, сушіння термолабільних речовин, екстрагування тваринної та рослинної сировини, розчинення, стерилізації рідких речовин, дрібнодисперсного розпилення лікарських засобів , отримання емульсій та надтонких суспензій, диспергування барвників, зварювання металівта полімерів, миття, очищення деталей без застосування горючих та токсичних розчинників.

В останні роки ультразвук починає відігравати все більшу роль у промисловості та наукових дослідженнях. Успішно проведено теоретичні та експериментальні дослідження в галузі ультразвукової кавітації та акустичних течій, що дозволили розробити нові технологічні процеси, що протікають при впливі ультразвуку в рідкій фазі. В даний час формується новий напрямок хімії - ультразвукова хімія, що дозволяє прискорити багато хіміко-технологічних процесів і отримати нові речовини. Наукові дослідження сприяли зародженню нового розділу акустики – молекулярної акустики, що вивчає молекулярну взаємодію звукових хвиль із речовиною. Виникли нові сфери застосування ультразвуку: інтроскопія, голографія, квантова акустика, ультразвукова фазомірія, акустоелектроніка.

Поряд з теоретичними та експериментальними дослідженнями в галузі ультразвуку виконано багато практичних робіт. Розроблено універсальні та спеціальні ультразвукові верстати, установки, що працюють під підвищеним статичним тиском, ультразвукові механізовані установки для очищення деталей, генератори з підвищеною частотою та новою системою охолодження, перетворювачі з рівномірно розподіленим полем.

Ехолот-прилад визначення глибини моря. Ультразвуковий локатор використовується визначення відстані до перешкоди по дорозі. При проходженні ультразвуку через рідину частинки рідини набувають великих прискорень і сильно впливають на різні тіла, поміщені в рідину. Це використовують для прискорення різних технологічних процесів (наприклад, приготування розчинів. Відмивання деталей, дублення шкір і т.д.). У медицині проводиться ультразвукове дослідження внутрішніх органів.

Ефектом Доплераназивається зміна частоти коливань, що сприймається приймачем, при русі джерела цих коливань та приймача один щодо одного.

Для розгляду ефекту Доплера припустимо, що джерело і приймач звуку рухаються вздовж прямої, що з'єднує їх; vіст і vпр - відповідно швидкості руху джерела та приймача, причому вони позитивні, якщо джерело (приймач) наближається до приймача (джерела), і негативні, якщо видаляється. Частота коливань джерела дорівнює v 0 .

1. Джерело та приймач спочивають щодо середовища,тобто. vіст = vпр=0. Якщо v - швидкість поширення звукової хвилі в аналізованому середовищі, то довжина хвилі l= vT= v/ v 0 . Поширюючись у середовищі, хвиля досягне приймача і викличе коливання звукочутливого елемента з частотою

Отже, частота vзвуку, який зареєструє приймач, дорівнює частоті v 0 з якою звукова хвиля випромінюється джерелом.

2. Приймач наближається до джерела, а джерело спочиває,тобто. vпр >0, vіст = 0. В даному випадку швидкість поширення хвилі щодо приймача стане рівною. v + vпр. Оскільки довжина хвилі при цьому не змінюється, то

(30.4)

тобто частота коливань, що сприймаються приймачем, ( v+ vпр) / vразів більше частоти коливань джерела.

3. Джерело наближається до наступника, а приймач спочиває,тобто. vіст >0, vпр=0.

Швидкість поширення коливань залежить лише від властивостей середовища, тому за час, що дорівнює періоду коливань джерела, випромінювана ним хвиля пройде у напрямку до приймача відстань vT(Рівне довжині хвилі l) незалежно від того, чи рухається джерело чи спочиває. За цей же час джерело пройде у напрямку хвилі відстань vіст T(рис. 224), тобто довжина хвилі в напрямку руху скоротиться і стане рівною l"=l-vіст Т=(v-vіст) Tтоді

(30.5)

тобто частота nколивань, що сприймаються приймачем, збільшиться в v/(v – vіст) раз. У випадках 2 та 3, якщо vіст<0 и vпр<0, знак будет обратным.

4. Джерело та приймач рухаються відносно один одного.Використовуючи результати, отримані для випадків 2 і 3, можна записати вираз частоти коливань, що сприймаються приймачем:

(30.6)

причому верхній знак береться, якщо під час руху джерела чи приймача відбувається їх зближення, нижній знак - у разі взаємного видалення.

З наведених формул випливає, що ефект Доплера різний залежно від того, чи джерело або приймач рухається. Якщо напрями швидкостей vпри і vіст не збігаються з проходить через джерело і приймач прямий, замість цих швидкостей у формулі (30.6) треба брати їх проекції на напрям цієї прямої.

Ударна хвиля:поверхня розриву, яка рухається щодо газу/рідини/твердих тіл і при перетині якої тиск, щільність,

температура та швидкість відчувають стрибок.

Ударні хвилі виникають при вибухах, детонації, при надзвукових рухах тіл, при потужних електрич. розрядах і т. д. Наприклад, при вибуху ВР утворюються високонагріті продукти вибуху, що мають велику щільність і знаходяться під високим тиском. У початковий момент вони оточені повітрям, що лежить при нормальній щільності і атмосферному тиску. Продукти вибуху, що розширюються, стискають навколишнє повітря, причому в кожний момент часу стиснутим виявляється лише повітря, що знаходиться в певному обсязі; поза цим обсягом повітря залишається у незбуреному стані. З часом обсяг стисненого повітря зростає. Поверхня, яка відокремлює стиснене повітря від незбурненого, і є фронтом ударної хвилі. У ряді випадків надзвукового руху тіл у газі (артилерійські снаряди, космічні апарати, що спускаються) напрям руху газу не збігається з нормаллю до поверхні фронту ударної хвилі, і тоді виникають косі ударні хвилі .

Прикладом виникнення та розповсюдження ударної хвилі може бути стиск газу в трубі поршнем. Якщо поршень входить у газ повільно, то газу зі швидкістю звуку абіжить акустич. (Пружна) хвиля стиснення. Якщо ж швидкість поршня не мала в порівнянні зі швидкістю звуку, виникає ударна хвиля, швидкість поширення якої по незбуреному газу більша, ніж швидкість руху частинок газу (т.з. масова швидкість), що збігається зі швидкістю поршня. Відстань між частинками в ударній хвилі менша, ніж у незбуреному газі, внаслідок стиснення газу. Якщо поршень спочатку всувають у газ із невеликою швидкістю і поступово прискорюють, то ударна хвиля утворюється не відразу. Спочатку виникає хвиля стиснення з безперервними розподілами щільності r та тиску нар.З плином часу крутість передньої частини хвилі стиснення наростає, тому що обурення від прискорено рухомого поршня наздоганяють її і посилюють, внаслідок чого виникає різкий стрибок всіх гідродинамічних. величин, тобто ударна хвиля

Ударна хвиля у реальних газах. У реальному газі за високих температур відбуваються збудження молекулярних коливань, дисоціація молекул, хімічні реакції, іонізація тощо. буд., що пов'язані з витратами енергії та зміною кількості часток. При цьому внутрішня енергія e складним чином залежить від pі ρ та параметри газу за фронтом.

Для перерозподілу енергії газу, стиснутого і нагрітого у сильному стрибку ущільнення, за різними ступенями свободи потрібно зазвичай дуже багато зіткнень молекул. Тому ширина шару Dx, в якому відбувається перехід з початкового в кінцевий термодинамічно рівноважний стан, тобто ширина фронту ударної хвилі, в реальних газах зазвичай набагато більше ширини в'язкого стрибка і визначається часом релаксації найбільш повільного з процесів: порушення коливань, дисоціації, іонізації тощо.

Рис. 25.1 Розподіл температури (a) та щільності (б) у ударній хвилі, що поширюється в реальному газі .

температури та густини в ударній хвилі при цьому мають вигляд, показаний на рис. 25.1 де в'язкий стрибок ущільнення зображений у вигляді вибуху.

Ударна хвиля у твердих тілах.Енергія і тиск у твердих тілах мають двояку природу: вони пов'язані з тепловим рухом та взаємодією частинок (теплові та пружні складові). Теорія міжчасткових сил не може дати загальної залежності пружних складових тиску та енергії від щільності в широкому діапазоні для різних речовин, і, отже, теоретично не можна побудувати функцію, що зв'язує ( p,ρ) до та за фронтом ударної хвилі. Тому розрахунки для твердих (і рідких) тіл визначаються досвідом або напівемпірично. Для значного стиснення твердих тіл потрібні тиски в мільйони атмосфер, які зараз досягаються під час експериментальних досліджень. Насправді велике значення мають слабкі ударні хвилі з тисками 10 4 -10 5 атм. Це тиски, що розвиваються при детонації, вибухах у воді, ударах продуктів вибуху про перешкоди і т. д.. У ряді речовин - залізі, вісмуті та інших в ударній хвилі відбуваються фазові переходи - поліморфні перетворення. При невеликих тисках у твердих тілах виникають пружні хвилі , поширення яких, як і поширення слабких хвиль стискування газах, можна розглядати з урахуванням законів акустики.

Більшість людей чудово розуміють, що таке звук. Він асоціюється зі слухом і пов'язаний із фізіологічними та психологічними процесами. У мозку здійснюється переробка відчуттів, які надходять через органи слуху. Швидкість звуку залежить багатьох чинників.

Звуки, що розрізняються людьми

У загальному значенні слова звук – це фізичне явище, яке спричиняє вплив на органи слуху. Він має вигляд поздовжніх хвиль різної частоти. Люди можуть чути звук, частота якого коливається не більше 16-20000 Гц. Ці пружні поздовжні хвилі, які поширюються у повітрі, а й у інших середовищах, досягаючи вуха людини, викликають звукові відчуття. Люди можуть чути далеко не усі. Пружні хвилі частотою менше 16 Гц називають інфразвуком, а вище 20000 Гц – ультразвуком. Їхнє людське вухо не може чути.

Характеристики звуку

Розрізняють дві основні характеристики звуку: гучність та висоту. Перша з них пов'язана з інтенсивністю пружною звукової хвилі.Існує й інший важливий показник. Фізичною величиною, що характеризує висоту, є частота коливаньпружної хвилі. При цьому діє одне правило: чим вона більша, тим звук вищий, і навпаки. Ще однією найважливішою характеристикою є швидкість звуку. У різних середовищах вона буває різною. Вона є швидкість поширення пружних звукових хвиль. У газовому середовищі цей показник буде меншим, ніж у рідинах. Швидкість звуку у твердих тілах найвища. При цьому для хвиль поздовжніх вона завжди більша, ніж для поперечних.

Швидкість розповсюдження звукових хвиль

Цей показник залежить від щільності середовища та її пружності. У газових середовищах нею діє температура речовини. Як правило, швидкість звуку не залежить від амплітуди та частоти хвилі. У поодиноких випадках, коли ці характеристики впливають, говорять про так звану дисперсію. Швидкість звуку в парах чи газах коливається в межах 150-1000 м/с. У рідких середовищах вона становить 750-2000 м/с, а твердих матеріалах - 2000-6500 м/с. У нормальних умовах швидкість звуку повітря досягає 331 м/с. У звичайній воді – 1500 м/с.

Швидкість звукових хвиль у різних хімічних середовищах

Швидкість поширення звуку у різних хімічних середовищах неоднакова. Так, в азоті вона становить 334 м/с, у повітрі – 331, в ацетилені – 327, в аміаку – 415, у водні – 1284, у метані – 430, у кисні – 316, у гелії – 965, у чадному газі – 338, у вуглекислоті - 259, у хлорі - 206 м/с. Швидкість звукової хвилі в газоподібних середовищах зростає із підвищенням температури (Т) та тиску. У рідинах вона найчастіше зменшується зі збільшенням Т кілька метрів за секунду. Швидкість звуку (м/с) у рідких середовищах (при температурі 20°С):

Вода – 1490;

Етиловий спирт – 1180;

Бензол – 1324;

Ртуть – 1453;

Вуглець чотирихлористий – 920;

Гліцерин – 1923.

З вищевказаного правила винятком є ​​лише вода, у якій зі зростанням температури збільшується швидкість звуку. Своєї максимуму вона досягає при нагріванні цієї рідини до 74°С. У разі підвищення температури швидкість звуку зменшується. При збільшенні тиску вона збільшуватиметься на 0,01%/1 Атм. У солоній морській воді зі зростанням температури, глибини та солоності підвищуватиметься і швидкість звуку. У інших середовищах цей показник змінюється по-різному. Так, у суміші рідини та газу швидкість звуку залежить від концентрації її складових. В ізотопному твердому тілі вона визначається його щільністю та модулями пружності. У необмежених щільних середовищах поширюються поперечні (зсувні) та поздовжні пружні хвилі. Швидкість звуку (м/с) у твердих речовинах (подовжньої/поперечної хвилі):

Скло – 3460-4800/2380-2560;

Плавлений кварц – 5970/3762;

Бетон – 4200-5300/1100-1121;

Цинк – 4170-4200/2440;

Тефлон – 1340/*;

Залізо – 5835-5950/*;

Золото – 3200-3240/1200;

Алюміній – 6320/3190;

Срібло – 3660-3700/1600-1690;

Латунь – 4600/2080;

Нікель – 5630/2960.

У феромагнетиках швидкість звукової хвилі залежить від величини напруги магнітного поля.У монокристалах швидкість звукової хвилі (м/с) залежить від напряму її поширення:

• рубін (подовжня хвиля) – 11240;
• сульфід кадмію (поздовжня/поперечна) - 3580/4500;
• ніобат літію (поздовжня) – 7330.

Швидкість звуку у вакуумі дорівнює 0, оскільки в такому середовищі він просто не поширюється.

Визначення швидкості звуку

Все те, що пов'язане із звуковими сигналами, цікавило наших предків ще тисячі років тому. Над визначенням сутності цього явища працювали практично всі визначні вчені древнього світу. Ще античні математики встановили, що звук зумовлюється коливальними рухами тіла. Про це писали Евклід та Птолемей. Аристотель встановив, що швидкість звуку відрізняється кінцевою величиною. Перші спроби визначення цього показника було зроблено Ф. Беконом у XVII в. Він намагався встановити швидкість шляхом порівняння часових проміжків між звуком пострілу та спалахом світла. З цього методу група фізиків Паризької Академії наук вперше визначила швидкість звукової хвилі. За різних умов експерименту вона становила 350-390 м/с. Теоретичне обґрунтування швидкості звуку вперше у своїх «Початках» розглянув І. Ньютон. Зробити правильне визначення цього показника вийшло у П.С. Лапласа.

Формули швидкості звуку

Для газоподібних середовищ та рідин, в яких звук поширюється, як правило, адіабатично, зміна температури, пов'язана з розтягуваннями та зі стисненням у поздовжній хвилі, не може швидко вирівнюватися за короткий період часу. Очевидно, що цей показник впливає кілька чинників. Швидкість звукової хвилі в однорідному газовому середовищі або рідині визначається за такою формулою:

де - адіабатична стисливість, - щільність середовища.

У приватних похідних ця величина вважається за такою формулою:

c 2 = -υ 2 (δρ/δυ) S = -υ 2 Cp/Cυ (δρ/δυ) T ,

де ρ, T, υ - тиск середовища, її температура та питомий обсяг; S – ентропія; Cp – ізобарна теплоємність; Cυ – ізохорна теплоємність. Для газових середовищ ця формула буде виглядати так:

c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,

де ζ - величина адіабати: 4/3 для багатоатомних газів, 5/3 для одноатомних, 7/5 для двоатомних газів (повітря); R - постійна газова (універсальна); T - абсолютна температура, що вимірюється в кельвінах; k – постійна Больцмана; t - температура в ° С; M – молярна маса; m – молекулярна маса; ? 2 = ζR/ M.

Визначення швидкості звуку у твердому тілі

У твердому тілі, що має однорідність, існує два види хвиль, що відрізняються поляризацією коливань по відношенню до напрямку їх поширення: поперечна (S) і поздовжня (P). Швидкість першої (C S) завжди буде нижчою, ніж другою (C P):

C P 2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1 - v)/(1 + v)(1-2v)ρ;

C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,

де K, E, G – модулі стиснення, Юнга, зсуву; v – коефіцієнт Пуассона. Під час розрахунку швидкості звуку твердому тілі використовуються адіабатичні модулі пружності.

Швидкість звуку в багатофазних середовищах

У багатофазних середовищах завдяки непружному поглинанню енергії швидкість звуку знаходиться у прямій залежності від частоти коливань. У двофазному пористому середовищі вона розраховується за рівняннями Біо-Миколаївського.

Висновок

Вимірювання швидкості звукової хвилі використовується щодо різних властивостей речовин, таких як модулі пружності твердого тіла, стисливість рідин і газу. Чутливим методом визначення домішок є вимірювання малих змін швидкості звукової хвилі. У твердих тілах коливання цього показника дозволяє проводити дослідження зонної структури напівпровідників. Швидкість звуку є дуже важливою величиною, вимірювання якої дозволяє дізнатися багато про найрізноманітніші середовища, тіла та інші об'єкти наукових досліджень. Без уміння її визначати було б неможливим багато наукових відкриттів.