Скорость распространения звука в металле. Определение скорости звука

Белорусский государственный университет

Физический факультет Кафедра общей физики

Методические указания к лабораторной работе 23н

« ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ЗВУКА В МЕТАЛЛЕ»

Утверждены на заседании

Кафедры общей физики

«____»__________2002 г.

Жолнеревич И.И. – зав. кафедрой общей физики, доцент Перковский Т. А.. – старший преподаватель

Задание : определить скорость звука в стальной пластинке с предельной относительной погрешностью, не превышающей 5 %.

Оборудование и принадлежности : установка для определения скорости звука стальной пластинке, микрометр.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ Установка (рис. 1) состоит из

двух частей: генератора электромагнитных колебаний и стойки.

В основании стойки закреплена колонка 1 и телефон 2 (без мембраны) . Вдоль колонки можно перемещать и фиксировать в произвольном положении кронштейн 3 с тисками 4, которые служат для закрепления

пластинки 5. Ее длину можно изменять. При этом кронштейн необходимо перемещать так, чтобы нижний конец пластинки находился против телефона. С помощью винта 6 можно изменять расстояние от телефона до нижнего конца пластинки.

На передней панели генератора находится регулятор амплитуды напряжения 7, регулятор частоты 8 и дисплей 9, на котором отображаются значения амплитуды напряжения и частоты. На задней панели генератора (рис. 2) находится выключатель сети 10.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ Общие сведения. Волной называют колебания, распространяющиеся в простран-

стве с течением времени. В механической волне колебания совершают частицы вещества. Вэлектромагнитной волне происходят колебания электрического и магнитного полей.Волновым фронтом называется множество точек, до которых дошли колебания.

Это «передний край» волны. Волновой поверхностью называется множество точек, в которых колебания происходят в одинаковой фазе. В зависимости от формы волновой по-

верхности различают плоские, сферические, цилиндрическиеи т.д. волны. Длиной волны

() называется расстояние между волновыми поверхностями, колебания которых происходят с разностью фаз 2 . Период (T) – это время, за которое происходит одно колебание.Частота () – это число колебаний в единицу времени. Частота измеряется в герцах (Гц). 1 Гц – это частота, при которой происходит одно колебание в секунду. Скорость электромагнитных волн в вакууме равна 3 108 м/с. Скорость механических волн зависит от свойств вещества. За один период волна распространяется на расстояние, равное ее длине:

Волна, в которой колебания происходят с единственной частотой, называется монохроматической волной. Например, монохроматическую звуковую волну издает камертон. В большинстве случаев в волне присутствуют колебания нескольких частот.

Механические волны в веществе называются упругими волнами. Упругие волны с большой амплитудой называютсяударными волнами. Упругие волны с малой амплитудой, которые воспринимаются человеческим ухом, называютсязвуком . Частота звука лежит в интервале приблизительно от 16Гц до 20000Гц .

Упругие волны в жидкостях и газах являются продольными. В них колебания частиц вещества происходятвдоль направления распространения волны. (Волны на поверхности жидкости не являются упругими. Они вызваны либо силами поверхностного натяжения, либо силами тяжести.) В твёрдых телах могут распространяться как продольные, так ипоперечные волны. В поперечной волне колебания частиц происходятперпендикулярно направлению распространения волны.

Скорость продольных звуковых волн в твёрдых телах определяется соотношени-

где E – модуль Юнга, – плотность тела.

Теория метода. В упругом теле конечных размеров (например, струна или камертон) могут происходить колебания с определенными частотами. В этом можно убедиться, ударив молоточком по струне, камертону или другому упругому телу. Этособственные колебания упругого тела, их частоты связаны между собой. Амплитуда колебаний минимальной частоты (основного тона или первой гармоники), наибольшая. Эта частота определяет звучание тела. Амплитуда колебаний второй, третьей т.д. гармоник, или обертонов, меньше. От них зависит тембр звучания.

В упругом теле, на которое действует периодически изменяющаяся внешняя сила, возникают вынужденные колебания той же частоты. Если частота внешней силы совпадет с частотой одной из гармоник собственных колебаний тела, наступитрезонанс . При этом амплитуда колебаний тела резко возрастет.

Аналогичная зависимость наблюдается и для стальной пластинки, один конец которой жестко закреплен (рис. 3). Амплитуда колебаний пластинки резко возрастает, когда частота внешней силы, приложенной к нижнему концу пластинки, совпадает с одной из частот ν i

ее собственных колебаний (i = 1, 2, 3 … – номер гармоники колебаний). Частота ν i зависит от размеров и физических свойств (модуля Юнга и плотности) материала пластинки. Скорость звука (см. соотношение 3) также определяется физическими свойствами материала пластинки.

Теоретический анализ показывает, что скорость звука в пластинке выражается через ее длину L , толщину d , собственную частоту колебаний i и безразмерный параметр b i :

Из (4) следует, что собственная частота колебаний пластинки обратно пропорциональна квадратуее длины (остальные величины в (4) постоянные):

Порядок выполнения задания

1. С помощью регуляторов 7 и 8 (рис. 1) установить нулевые значения амплитуды напряжения и частоты. Установить длину пластинки L = 11 см. Это максимальная длина пластинки, которой соответствует минимальная частота собственных колебаний. Про уменьшении длины пластинки собственная частота колебаний будет возрастать.

2. Включить генератор электромагнитных колебаний. Установить некоторое значение выходного напряжения (в интервале от 5 В до 9 В).

3. Увеличивая частоту (с шагом 1 Гц), определить, в каком интервале частот становятся особенно заметными вынужденные колебания пластинки. После этого, уменьшая напряжение, изменяя расстояние между нижним концом пластинки и телефоном и плавно изменяя частоту (с шагом 0,1 Гц), определить резонансную частоту (первую гармоникусобственных колебаний пластинки).

4. Определить частоту второй гармоники при данной длине пластинки. Для ускорения поиска 2 следует учесть, что2 = (b 2 /b 1 ) 2 1 = 6,267 1 (это вытекает из соотноше-

5. Уменьшая длину пластинки до 8 см через 0,5 см, определить соответствующие каждому значению L собственные частоты колебаний1 и2 . Результаты измерений занести в таблицу1.

6. Из соотношения (4) оценить минимальную относительную погрешность косвенных измерений величины c . Приборную погрешность считать равной 0,1 Гц.

Таблица 1.

Результаты измерения зависимости собственной частоты колебаний стальной пластинки от ее длины.

7. Обозначив в формуле (5) 1/L 2 =x, i , =y, k i =a, определить методом наименьших квадратов среднее значение и относительную случайную погрешностьk i для 1-й и 2-й гармоник (см. приложение, формулы (11) и (13)). Из соотношения (7) определить среднее значение и относительную случайную погрешностьс на 1-й и 2-й гармониках.

8. Определить полную относительную погрешность косвенных измерений скорости звука в стальной пластинке.

На основании проделанных измерений сформулировать цель работы и сделать выводы.

Контрольные вопросы.

1. От чего зависит скорость распространения волн в упругой среде?

2. Имеются ли среды, в которых скорость распространения поперечных волн больше, чем продольных?

3. Как определить собственные частоты колебаний упругого тела (стальной пластинки, струны рояля, столба воздуха в трубе органа)?

ЛИТЕРАТУРА

1. Кембровский Г.С. Приближённые вычисления и методы обработки результатов измерений в физике. -Минск: Изд-во "Университетское", 1990.

2. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. -М.: Высшая школа, 1986.

3. Петровский И.И. Механика. -Минск: Изд-во БГУ, 1973.

4. Савельев И.В. Курс общей физики. -М.: Наука, 1982. Т. 1. Механика. Молекулярная физика.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 1989 Т. 1. Механика.

6. Стрелков С.П. Механика. -М.: Наука, 1975.

7. Физический практикум. Под ред. Кембровского Г.С. -Минск: Изд-во "Универ-

ситетское", 1986.

ПРИЛОЖЕНИЕ

МЕТОД НАИМЕНЬШИХ КВАДРАТОВ

Пусть некоторая величина y прямо пропорциональна величинех, т.е.

y = ax. (8)

Экспериментально независимыми способами измерен ряд значений x i ,i = 1, 2, ...,n , одной величины и соответствующие им значенияy i другой величины. При графической обработке результатов измерений полученные данные по соответствующим правилам изображаются в виде точек (рис. 1п). Дальнейшая задача сводится к подбору такого угла наклона проводимой прямой, при котором она располагалась бы возможно ближе ко всем точкам и по обе ее стороны оказывалось бы приблизительно равное их коли-

чество. Понятно, что выполнение подобной операции “на глаз” не может обеспечить высокую точностью Более точное математическое правило проведения прямой линии заключается в нахождении такого значения параметра а , при котором сумма квадратов отклонений всех экспериментальных точек от линии графика была бы наименьшей.

Обычно случайные погрешности в определении аргумента х незначительны (как правило, в ходе эксперимента значенияx i задаются и устанавливаются на приборах самим экспериментатором). Поэтому отклонения экспериментальных точек от прямой, т.е. случайные погрешностиy i , будут равны разностям ординат данных точек и соответствующих точек на прямой (см. рис. 1п). Согласно методу наименьших квадратов наилучшей будет та прямая, для которой будет минимальной величина

По условию минимума производная от величины S по параметруa должна быть равна нулю:

При количестве измерений n 10 абсолютную случайную погрешность принимают равнойa c = 3a , приn = 7a c = 4a , приn = 5 величинаa c = 5a .

Относительная случайная погрешность a,c =a c /a, или в процентах

Инструментальные и другие погрешности оценивают так же, как и при косвенных измерениях.

Введение.

Понятие звука обычно ассоциируется у нас со слухом и, следовательно, с физиологическими процессами в ушах, а также с психологическими процессами в нашем мозгу (там происходит переработка ощущений, поступающих в органы слуха). Кроме того, под звуком мы понимаем физическое явление, вызывающее действие на наши уши, а именно продольные волны. Если такие упругие волны, распространяющиеся в воздухе, имеют частоту в пределах от 16 до 20000 Гц, то, достигнув человеческого уха, они вызывают ощущение звука . В соответствии с этим упругие волны в любой среде, имеющие частоту, заключённую в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком . Упругие волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют инфразвуком ; волны с частотами, превышающими 20000 Гц, называют ультразвуком . Инфра- и ультразвуки человеческое ухо не слышит.

Для слушающего человека сразу становятся очевидными две характеристики звука, а именно его громкость и высота. Громкость связана с интенсивностью звуковой волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды волны. Высота звука показывает, является ли он высоким, как у скрипки или у виолончели, или низким, как звук большого барабана или басовой струны. Физической величиной, характеризующей высоту звука, является частота колебаний звуковой волны, что впервые заметил Галилей. Чем меньше частота, тем ниже высота звука, а чем больше частота, тем звук выше.

Одной из важных характеристик звука является его скорость . Скорость звука - это скорость распространения звуковых волн в среде. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах (причем для поперечных волн скорость всегда меньше, чем для продольных). Скорость звука в газах и парах от 150 до 1000 м/с, в жидкостях от 750 до 2000 м/с, в твердых телах от 2000 до 6500 м/с. В воздухе при нормальных условиях скорость звука 330 м/с, в воде - 1500 м/с.

Также в реферате рассматривается эффект, на существование которого в 1842 году указал КРИСТИАН ДОПЛЕР (Допплер) (Doppler) (1803-53), австрийский физик и астроном. Позже этот эффект был назван его именем.

1. Скорость звуковых волн в различных средах.

Мы обычно считаем, что звук распространяется в воздухе, потому что, как правило, именно воздух контактирует с нашими барабанными перепонками, и его колебания заставляют колебаться эти перепонки. Однако звуковые волны могут распространяться и в других веществах. Удары двух камней друг о друга пловец может слышать, находясь под водой, поскольку колебания передаются уху водой. Если приложить ухо к земле, то можно услышать приближение поезда или трактора. В этом случае земля не воздействует непосредственно на ваши барабанные перепонки. Однако продольную волну, распространяющуюся в земле, называют звуковой волной, поскольку её колебания приводят к колебаниям воздуха во внешнем ухе. Действительно, продольные волны, распространяющиеся в любой материальной среде, часто называют звуковыми. Очевидно, звук не может распространяться в отсутствие вещества. Например, нельзя услышать звон колокола, находящегося внутри сосуда, из которого выкачан воздух [опытРобертаБойля (1660 год)].

Скорость звука в различных веществах имеет разные значения. В воздухе при температуре 0 о C и давлении 1 атм звук распространяется со скоростью 331,3 м/с. В воздухе и других газообразных и жидких средах скорость зависит от модуля всестороннего сжатия B и плотности среды(вещества) r :

В гелии, плотность которого значительно меньше, чем плотность воздуха, а модуль всестороннего сжатия почти такой же, скорость звука больше почти в три раза. В жидкостях и твёрдых телах, которые значительно менее сжимаемы и, следовательно, имеют значительно большие модули упругости, скорость соответственно больше. Значения скорости звука в различных веществах приведены в таблицах 1.1, 1.2, 1.3; они в наибольшей степени зависят от температуры (смотри таблицы 1.4, 1.5), однако эта зависимость существенна только для газов и жидкостей. Например, в воздухе при повышении температуры на 1 о C скорость звука возрастает приблизительно на 0,60 м/с:

u»(331+0,60T) м/с,

где T-температура в о C. Например, при 20 о C мы имеем:

u» м/с = 343 м/с.

2. Эффект Доплера в акустике.

Вы могли заметить, что высота звука сирены пожарной машины, движущейся с большой скоростью, резко падает после того, как эта машина пронесётся мимо вас. Возможно, вы замечали также изменение высоты сигнала автомобиля, проезжающего на большой скорости мимо вас. Высота звука двигателя гоночного автомобиля тоже изменяется, когда он проезжает мимо наблюдателя. Если источник звука приближается к наблюдателю, высота звука возрастает по сравнению с тем, когда источник звука покоился. Если же источник звука удаляется от наблюдателя, то высота звука понижается. Это явление называется эффектом Доплера и имеет место для всех типов волн. Рассмотрим теперь причины его возникновения и вычислим изменение частоты звуковых волн, обусловленное этим эффектом.

Эффект Доплера: а - оба наблюдателя на тротуаре слышат звук сирены стоящей на месте пожарной машины на одной и той же частоте; б - наблюдатель, к которому приближается пожарная машина, слышит звук более высокой частоты, а наблюдатель, от которого машина удаляется, слышит более низкий звук.

Рассмотрим для конкретности пожарный автомобиль, сирена которого, когда автомобиль стоит на месте, испускает звук определённой частоты во всех направлениях, как показано на рис. 2.1,а. Пусть теперь пожарный автомобиль начал двигаться, а сирена продолжает испускать звуковые волны на той же частоте. Однако во время движения звуковые волны, испускаемые сиреной вперёд, будут располагаться ближе друг к другу, чем в случае, когда автомобиль не двигался, что и показано на рис. 2.1,б. Это происходит потому, что в процессе своего движения пожарный автомобиль «догоняет» испущенные ранее волны. Таким образом, наблюдатель у дороги заметит большее число волновых гребней, проходящих мимо него в единицу времени, и, следовательно, для него частота звука будет выше. С другой стороны, волны, распространяющиеся позади автомобиля, будут дальше отстоять друг от друга, поскольку автомобиль как бы «отрывается» от них. Следовательно, за единицу времени мимо наблюдателя, находящегося позади автомобиля, пройдёт меньшее количество волновых гребней, и высота звука будет ниже.

Рис. 2.2.

Чтобы вычислить изменение частоты, воспользуемся рис. 2.2. Будем считать, что в нашей системе отсчёта воздух (или другая среда) покоится. На рис. 2.2 источник звука (например, сирена) находится в покое. Показаны последовательные гребни волн, причём один из них только что испущен источником звука. Расстояние между этими гребнями равно длине волны l . Если частота колебаний источника звука равна ¦, то время, прошедшее между испусканиями волновых гребней, равно

T = 1/¦.

На рис. 2.3 источник звука движется со скоростью u ист. За время T (оно только что было определено) первый гребень волны пройдёт расстояние d = u T , где u - скорость звуковой волны в воздухе (которая, конечно, будет одна и та же независимо от того, движется источник или нет). За это же время источник звука переместится на расстояние d ист = u ист T . Тогда расстояние между последовательными гребнями волны, равное новой длине волны l `, запишется в виде

l ` = d + d ист = (u + u ист) T = (u + u ист)/¦,

поскольку T = 1/¦. Частота ¦` волны даётся выражением

¦`=u /l ` = u ¦/ (u + u ист),

¦` = ¦/(1 + u ист / u ) [источник звука удаляется от покоящегося наблюдателя].

Поскольку знаменатель дроби больше единицы, мы имеем ¦`<¦. 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.

Новая длина волны для источника, приближающегося к наблюдателю со скоростью u ист, будет равна

l ` = d - d ист.

При этом частота ¦` даётся выражением

¦` = ¦/(1 - u ист / u ) [источник звука приближается к покоящемуся наблюдателю].

Эффект Доплера возникает также в том случае, когда источник звука покоится (относительно среды, в которой распространяются звуковые волны), а наблюдатель движется. Если наблюдатель приближается к источнику звука, то он слышит звук большей высоты, нежели испускаемый источником. Если же наблюдатель удаляется от источника, то звук кажется ему ниже. Количественно изменение частоты здесь мало отличается от случая, когда движется источник, а наблюдатель покоится. В этом случае расстояние между гребнями волны (длина волны l ) не изменяется, а изменяется скорость движения гребней относительно наблюдателя. Если наблюдатель приближается к источнику звука, то скорость волн относительно наблюдателя будет равна u ` = u + u набл, где u - скорость распространения звука в воздухе (мы предполагаем, что воздух покоится), а u набл – скорость наблюдателя. Следовательно, новая частота будет равна

¦`=u ` /l = (u + u набл)/ l ,

или, поскольку l = u /¦,

¦` = (1 + u набл / u ) ¦ [наблюдатель приближается к покоящемуся источнику звука].

В случае же, когда наблюдатель удаляется от источника звука, относительная скорость будет равна u ` = u - u набл,

¦` = (1 - u набл / u ) ¦ [наблюдатель удаляется от покоящегося источника звука].

Если звуковая волна отражается от движущегося препятствия, то частота отражённой волны из-за эффекта Доплера будет отличаться от частоты падающей волны, т.е. произойдёт так называемый доплеровский сдвиг частоты. Если падающую и отражённую звуковые волны наложить друг на друга, то возникнет суперпозиция, а это приведёт к биениям. Частота биений равна разности частот двух волн. Такое проявление эффекта Доплера широко используется в различных медицинских приборах, использующих, как правило, ультразвуковые волны в мегагерцевом диапазоне частот. Например, отражённые от красных кровяных телец ультразвуковые волны можно использовать для определения скорости кровотока. Аналогичным образом этот метод можно применять для обнаружения движения грудной клетки зародыша, а также для дистанционного контроля за сердцебиениями. Следует заметить, что эффект Доплера лежит также в основе метода обнаружения с помощью радара автомобилей, которые превышают предписываемую скорость движения, но в этом случае используются электромагнитные (радио) волны, а не звуковые.

Точность соотношений (2.1) и (2.2) снижается, если u ист или u набл приближаются к скорости звука. Это связано с тем, что смещение частиц среды уже не будет пропорционально возвращающей силе, т.е. возникнут отклонения от закона Гука, так что большинство наших теоретических рассуждений потеряет силу.

Заключение.

Звук распространяется в виде продольной волны в воздухе и других средах. Скорость звука в воздухе увеличивается с ростом температуры; при 0 о С она равна приблизительно 331 м/с.

Эффект Доплера заключается в том, что движение источника звука или слушателя вызывает изменение высоты звука. Характерен для любых волн (свет, звук и т. д.). При приближении источника к приемнику l уменьшается, а при удалении растет на величину l - l о = nl о /c , где l о - длина волны источника, c - скорость распространения волны, n - относительная скорость движения источника. Другими словами, если источник звука и слушатель сближаются, то высота звука растёт; если же они удаляются друг от друга, то высота звука понижается.

Список литературы.

1. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2001 (2 CD-ROM).

2. Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. – 656 с., ил.

3. Енохович А. С. Краткий справочник по физике. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: Высшая школа, 1976. – 288с., ил.

4. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 496 с., ил.

Приложение A .

Приложение B .

Таблицы.

Примечание. Температурный коэффициент скорости звука показывает, на сколько метров в секунду увеличивается скорость звука в веществе при повышении его температуры на 1 о C. Знак минус показывает, что данная жидкость имеет отрицательный температурный коэффициент скорости. Это значит, что при увеличении температуры скорость звука в жидкости уменьшается. Исключение – вода, при повышении температуры от 0 до 74 о C скорость звука в ней увеличивается. Наибольшая скорость звука в воде при 74 о C равна 1555,5 м/с.

СКОРОСТЬ ЗВУКА

СКОРОСТЬ ЗВУКА

Перемещения в среде упругой 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 оказывается различной для разных частот, говорят о дисперсии звука.

Для газов и жидкостей, где 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).

с=?(gp0/r)=?(gRT/m). (ф-ла Лапласа),

где g=Cp/Cv - отношение теплоёмкостей при постоянных давлении и объёме, р0 - среднее в среде, R - универс. , m - мол. 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 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

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) , причём фазовая С. з. для продольной волны равна:

а для сдвиговой:

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. , скорость к-рых меньше сl и ct. В пластинах, стержнях и др. тв. волноводах распространяются , 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

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, 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 . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

СКОРОСТЬ ЗВУКА

Скорость распространения в среде упругой волны. 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 и С. з. выражается через частоту w и k ф-лой с= w/k. Со скоростью с распространяется гармонич. волны, 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, 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 , где Р - давление в веществе,- его плотность, а индекс s показывает, что производная берётсяпри постоянной энтропии. Эта С. з. наз. адиабатической. Выражение для С.

где К ад - адиабатич. модуль всестороннего сжатия вещества,- адиабатич. сжимаемость,- изотермич. сжимаемость,= - отношениетеплоёмкостей при постоянных давлении и объёме.

В идеальном газе , где R = = 8,31 Дж/моль*К - универсальная газовая постоянная, Т - абс. -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 называютн 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, В идеальных газах при заданной темп-ре С. з. не зависит от давленияи растёт с ростом темп-ры как . Изменение С. з. равно , где и - 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, Табл. 1- Скорость звука в некоторых газах при °С*

* Значения скорости даны для нормального давления.

Табл. 2- Скорость звука в некоторых жидкостях при 20 °С

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 к-poй в качестве взята 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. 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. Скорость звука в твёрдых телах. В неограниченной твёрдой средераспространяются продольные и сдвиговые (поперечные) упругие волны. В изотропномтвёрдом теле фазовая скорость для продольной волны

для сдвиговой волны

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

Табл. 3 -Скорость звука в некоторых изотропных твёрдых телах

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 c t . Если значения c t 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. 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

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 С. з. какф-ции магн. поля. Измерения зависимости С. з. от магн. поля являются чувствит. В пьезоэлектриках и сегнетоэлектриках наличие электромеханич. 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. -эффектом, 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 статич. моханич. 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):

Методы измерения С. Дифракция света на ультразвуке). Наиб. 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, Молекулярнаяакустика). Определение малых изменений С. з. является чувствит. методомфиксирования примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерение С. 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 , А. Л. Полякова.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Большая советская энциклопедия

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 акустических волн 1. Скорость распространения упругой волны в среде. Единица измерения м/с 2. Фазовая или групповая скорость акустической волны в недисперсионном материале для данного направления распространения. }