Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Скорость звука

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

,

где Кад адиабатический модуль объемного сжатия, r — плотность, bад — адиабатическая сжимаемость, bиз = gbадизотермическая сжимаемость, g = cp/cv отношение теплоемкостей при постоянном давлении cp и при постоянном объеме cv.

  В идеальном газе С



(формула Лапласа), где r0 среднее давление в среде, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, m — молекулярный вес газа. При g = 1 получаем формулу Ньютона для С, соответствующую предположению об изотермическом характере процесса распространения. В жидкостях обычно можно пренебречь различием между адиабатическим и изотермическим процессами.

  С в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в твердых телах, поэтому при сжижении газа С возрастает. В табл. 1 и 2 приведены значения С для некоторых газов и жидкостей, причем в тех случаях, когда имеется дисперсия С, приведены ее значения для малых частот, когда период звуковой волны больше, чем время релаксации.

  Табл. 1. — С в газах при 0 ° и давлении 1 атм

Газ

с, м/сек


334


316

Воздух

331


965


1284

Метан

430

Аммиак

415

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

  Табл. 2. — С в жидкостях при 20° С

Жидкость

с, м/сек

Вода

1490

Бензол

1324

Спирт этиловый

1180

Четыреххлористый

920


1453

Глицерин

1923

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

  С в изотропных твердых телах определяется модулями упругости вещества и его плотностью. В неограниченной твердой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, причем фазовая С для продольной волны равна

,

а для сдвиговой



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

  Табл. 3. — С в некоторых твердых телах.

Материал

cl, м/сек, скорость продольной волны

ct, м/сек, скорость сдвиговой волны

сlст, м/сек, скорость звука в стержне

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


5835—5950



2030


3200—3240

1200

2030


1960—2400

700—790

1200—1320


4170—4210

2440

3700—3850


5630

2960

4785—4973


3650—3700

1600—1690

2610—2800

Латунь Л59

4600

2080

3450

сплав АМГ

6320

3190

5200

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

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

  Все вышеизложенное относится к распространению звука в сплошной среде, т. е. С является макроскопической характеристикой среды. Реальные вещества не являются сплошными; их дискретность приводит к необходимости рассмотрения упругих колебаний др. типов. В твердом теле понятие С относится только к акустической ветви колебаний кристаллической решетки.

 

  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.


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 23.12.2024 00:14:47