Швидкість звуку

РЕАЛЬНА ФІЗИКА

Глосарій з фізики

Швидкість звуку - швидкість поширення в середовищі пружної хвилі. Визначається пружністю і щільністю середовища. Для плоскої хвилі. біжить без зміни форми зі швидкістю з в напрямку осі х. звуковий тиск р можна представити у вигляді р = р (х - - ct). де t - час. Для плоскої гармонія, хвилі в середовищі без дисперсії і С. з. виражається через частоту w і хвильове число k ф-лій з = w / k. Зі швидкістю з поширюється фаза гармонич. хвилі, тому з зв. також фазової С. з. У середовищах, в яких брало форма довільної хвилі змінюється при поширенні, гармонич. хвилі проте зберігають свою форму, але фазова швидкість виявляється різною для різних частот, т. е. має місце дисперсія звуку У цих випадках користуються також поняттям групової швидкості. При великих амплітудах пружною хвилі з'являються нелінійні ефекти (див. Нелінійна акустика), що призводять до зміни будь-яких хвиль, в т. Ч. І гармонійних: швидкість поширення кожної точки профілю хвилі залежить від величини тиску в цій точці, зростаючи із зростанням тиску, що і призводить до спотворення форми хвилі.

Швидкість звуку в газах і рідинах. У газах і рідинах звук поширюється у вигляді об'ємних хвиль стиснення - розрядження. Якщо процес поширення відбувається адіабатично (що, як правило, і має місце), т. Е. Зміна температури в звуковій хвилі не встигає вирівнюватися і за 1/2. періоду тепло з нагрітих (стислих) ділянок не встигає перейти до холодних (розрідженим), то С. з. дорівнює. де Р - тиск в речовині, - його щільність, а індекс s показує, що похідна береться при постійній ентропії. Ця С. з. наз. адіабатичній. Вираз для С. з. може бути записано також в одній з наступних форм:

де Кад - адіабатіч. модуль всебічного стиску речовини, - адіабатіч. стисливість, - изотермич. стисливість, = - відношення теплоємностей при постійних тиску і об'ємі.

В ідеальному газі. де R = = 8,31 Дж / моль * К - універсальна газова постійна, Т - абс. темп-pa, - молекулярна маса газу. Це т. Зв. л а п л а с о в а С. з. У газі вона збігається по порядку величини із середньою теплової швидкістю руху молекул. Велічінуназивают н ь ю т о н о в о й С. з. вона визначає С. з. при изотермич. процесі поширення, к-рий може мати місце на дуже низьких частотах. У більшості випадків С. з. відповідає лапласову значенням.

С. з. в газах менше, ніж в рідинах, а в рідинах, як правило, менше, ніж в твердих тілах. У табл. 1 і 2 наведені значення С. з. для деяких газів і рідин, причому в тих випадках, коли є дисперсія, наведені значення С. з. для частот, менших, ніж частота релаксації.

В ідеальних газах при заданій температурі С. з. не залежить від тиску і росте з ростом температури як. Зміна С. з. одно. де и- малі збільшення швидкості н температури в порівнянні з їх значеннями з і Т. При кімнатній температурі відносить. зміна С. з. в повітрі становить приблизно 0,17% на 1 К. В рідинах С. з. як правило, зменшується з ростом температури і зміна її становить, напр. для ацетону -5,5 м / с * К, для етилового спирту -3,6 м / с * К. Винятком з цього правила є вода, в якій С. з. при кімнатній температурі збільшується зі зростанням температури на 2,5 м / с * К, досягає максимуму при температурі

74 ° С і з подальшим зростанням температури зменшується. С. з. в воді зростає зі збільшенням тиску приблизно на 0,01% на 1 атм, а також зі збільшенням вмісту розчинених у ній солей.

Табл. 1-Швидкість звуку в деяких газах при ° С *

У морській воді С. з. залежить від температури, солоності і глибини. Ці залежності мають складний вид. Для розрахунку С. з. в море використовуються таблиці, розраховані по Емпірія, ф-лам. Оскільки темп-pa, тиск, а іноді і солоність змінюються з глибиною, то С. з. в океані є функцією глибини c (z). Ця залежність істотно визначає характер поширення звуку в океані (див. Гідроакустики) .Зокрема, вона визначає існування підводного звукового каналу. становище осі догрого і ін. характеристики залежать від пори року, часу доби і від географія, розташування.

У зріджених газах С. з. збільшується при тій же температурі: напр. в газоподібному азоті при температурі -195 ° С вона дорівнює 176 м / с, в рідкому азоті при тій же температурі 859 м / с, в газоподібному і рідкому гелії при -269 ° С відповідно 102 м / с і 198 м / с.

С. з. в сумішах газів або рідин залежить від концентрації компонент. У газових сумішах С. з. добре описується ф-лій. в к-pой як взята молекулярна маса суміші, яка визначається молекулярними масами компонентів з урахуванням їх концентрації. У рідких сумішах залежність С. з. від концентрації компонентів має досить складний характер, к-рий пов'язаний з видом міжмолекулярних взаємодій. Так, в спиртоводного і кіслотоводних сумішах при деякої концентрації є максимум С.З. а в таких сумішах, як ацетон з сірковуглецем, бензол з чотирихлористого вуглецем п ін. при деякої концентрації С. з. має мінімум. У водних розчинах солей С. з. росте з ростом концентрації в усьому інтервалі концентрацій. Т. о. вимір С. з. може використовуватися для визначення і контролю концентрації компонент сумішей і розчинів.

У рідкому гелії С. з. збільшується при зниженні температури. При фазовому переході в надтекучий стан виникає злам на кривій залежності С. з. від температури.

В багатоатомних газах і практично в усіх рідинах є дисперсія С. з. причому в рідинах вона проявляється на високих УЗ і гіперзвукових частотах.

У резинах, полімери та каучуках С. з. залежить від хім. складу і щільності упаковки макромолекул і росте зі збільшенням частоти; в матеріалах цього типу з меншою щільністю і С. з. менше, напр. в силіконовому каучуку С.З. становить 950-1100 м / с на частотах 20-150 кГц, в бутадієн-нітрильну каучуку 1600-2100 м / с в тому ж діапазоні частот.

Швидкість звуку в твердих тілах. У необмеженому твердому середовищі поширюються поздовжні і рухомі (поперечні) пружні хвилі. В ізотропному твердому тілі фазова швидкість для поздовжньої хвилі

для зсувної хвилі

де Е - модуль Юнга, G - модуль зсуву, - коеф. Пуассона, К - модуль об'ємного стиснення. Швидкість поширення поздовжніх хвиль завжди більше, ніж швидкість зсувних хвиль, причому зазвичай виконується співвідношення. Значення Сl і ct для деяких ізотропних твердих тіл наведені в табл. 3.

Табл. 3 Швидкість звуку в деяких ізотропних твердих тілах

В монокристалах С. з. залежить від напрямку поширення хвилі в кристалі (див. Крісталлоакустіка) .В тих напрямках, в яких брало можливе поширення чисто поздовжніх і чисто поперечних хвиль, в загальному випадку є одне значення Сl і два значення ct. Якщо значення ct різні, то відповідні хвилі іноді наз. швидкої і повільної поперечними хвилями. У загальному випадку для кожного напрямку поширення хвилі в кристалі можуть існувати три змішані хвилі з різними швидкостями поширення, к-які визначаються відповідними комбінаціями модулів пружності. причому вектори колебат. зсувів частинок в цих трьох хвилях взаємно перпендикулярні. У табл. 4 наведені значення С. з. для деяких монокристалів в характерних напрямках.

У мн. речовинах С. з. залежить від наявності сторонніх домішок. У напівпровідниках і діелектриках С. з. чутлива до концентрації домішок; так, при легуванні напівпровідника домішкою, що збільшує число носіїв струму, С. з. зменшується зі збільшенням концентрації; при збільшенні температури С. з. слабо збільшується.

У металах і сплавах С. з. істотно залежить від попередньої механічної і термообробки: прокат, кування, відпал і т. п. Частково це явище пов'язане з дислокаціями. наявність яких брало також впливає на С. з.

Табл. 4 - Швидкість звуку в деяких монокристаллах

У металах, як правило, С. з. зменшується з ростом температури. При переході металу в надпровідний стан характер залежності інший: величина дс / дт в точці переходу змінює знак. У сильних магн. полях виявляються нек-риє ефекти в залежності С. з. від магн. поля, к-які відображають особливості поведінки електронів в монокристалі металу. Так, при поширенні звуку по нек-рим напрямками в кристалі з'являються осциляції С. з. як функції магн. поля. Вимірювання залежності С. з. від магн. поля є почуття. методом дослідження внутр. структури металів.

У п'єзоелектрик і сегнетоелектриках наявність електромеханіч. зв'язку призводить до зменшення модулів пружності і, отже, зменшує С. з.

Аналогічне явище спостерігається і в магнітострикційних матеріалах. де наявність магнітопружної зв'язку призводить, крім того, до появи помітної залежності С. з. від напруженості магн. поля, зумовленої т. н.-ефектом, т. е. залежністю модуля Юнга Е від величини магнітного. поля Н. Зміни С. з. з ростом Н можуть досягати дек. відсотків (іноді до десятків відсотків). Така ж залежність С. з. від напруженості електричні. поля спостерігається в сегнетоелектриках. При дії на тверде тіло статич. моханіч. напруг С. з. залежить від величини цих напруг, що є наслідком відхилення від лінійного закону Гука.

В обмежених твердих тілах крім поздовжніх і поперечних хвиль є і ін. Типи хвиль. Так, уздовж вільної поверхні твердого тіла або уздовж кордону його з ін. Середовищем поширюються поверхневі акустичні хвилі. швидкість яких брало менше швидкості об'ємних хвиль, характерних для даного матеріалу. Для пластин, стрижнів і ін. Твердих акустич. волноводов характерні нормальні хвилі, швидкість яких брало визначається не тільки властивостями речовини, але і геометрією тіла. Так, напр. С. з. для поздовжньої хвилі в стержні сст. поперечні розміри догрого багато менше довжини хвилі звуку, відрізняється від С. з. в необмеженому середовищі Сl (табл. 3):

Методи вимірювання С.З. можна поділити на резонансні, інтерферометричні, імпульсні і оптичні (див. Дифракція світла на ультразвуку) .Наіб. точності вимірювання досягають за допомогою імпульсно-фазових методів. Оптична. методи дають можливість вимірювати С. з. на гіперзвукових частотах (аж до 10 11 -10 12 Гц). Точність абс. вимірювань С. з. на кращій апаратурі ок. 10 -3%. тоді як точність відносить. вимірювань близько 10 -5% (напр. при вивченні залежності з від температури або магн. поля пли від концентрації домішок або дефектів).

Вимірювання С. з. використовуються для визначення мн. властивостей речовини, таких, як величина відносини теплоємностей для газів, стисливості газів і рідин, модулів пружності твердих тіл, дебаєвської температури і ін. (див. Молекулярна акустика). Визначення малих змін С. з. є почуття. методом фіксування домішок в газах і рідинах. У твердих тілах вимір С. з. і її залежності від разл. факторів (температури, магн. поля і ін.) дозволяє досліджувати будову речовини: зонну структуру напівпровідників, будова поверхні Фермі в металах і ін.

Література по швидкості звуку

Бергман Л. Ультразвук і його застосування в науці і техніці, пер. з нім. 2 изд. М. 1957;
Михайлов І. Г. Соловйов В. А. сирників Ю. П. Основи молекулярної акустики, М. 1964;
Таблиці для розрахунку швидкості звуку в морській воді, Л. 1965;
Фізична акустика, під ред. У. Мезона, пров. з англ. т. 1, ч. А, М. 1966 гл. 4; т. 4, ч. Б, М. 1970, гл. 7;
Колесніков А. Е. Ультразвукові виміри, 2 видавництва. М. 1982;
Труелл Р. Ельбаум Ч. Чик Б. Ультразвукові методи в фізиці твердого тіла, пер. з англ. М. 1972;
Акустичні кристали, під ред. М. П. Шаскольский, М. 1982;
Фарбувальні ков В. А. Крилов В. В. Введення в фізичну акустику, М. +1984.

Чи знаєте Ви, що, коли деякі дослідники, які намагаються примирити релятивізм і ефірну фізику, кажуть, наприклад, про те, що космос складається на 70% з "фізичного вакууму", а на 30% - з речовини і поля, то вони впадають в фундаментальне логічне протиріччя. Це протиріччя полягає в наступному.

НОВИНИ ФОРУМУ
Лицарі теорії ефіру

Про це Корнілов написав на своїй сторінці в соцмережі.

За словами Корнілова, тоді його повідомлення було сприйнято з недовірою.

Тепер же Сміла Корнілов вирішив повернутися до цієї теми, в зв'язку з чим публікує у себе в фейсбуці фотографії загадкових ізраїльтян, які брали участь в одеській бійні.

Серед безлічі питань, на які Корнілов, за його словами, хотів би отримати відповідь, наприклад, такі:

«Чому вони випадково розгулювали по Одесі з медичним спорядженням, в гумових рукавичках, звідки вони знали заздалегідь про те, що будуть поранені й убиті? Або чому цей боєць раптом різко забув англійську, коли зрозумів, що його записують? ».

Води озер, морів і океанів північного по --------- Лушар обертаються проти годинникової -з-т - р-е-л-к-і, а води південного полушарія- в-ра - ща-ють -ся- по- ч-асів стрілкою, - обра-зуя- -гіг-ант-скі-е вод-ово-роти.

Основною причиною обертання вирів є місцеві вітру.
І чим вище швидкість вітрів тим вище швидкість обертання вирів і як наслідок, вище відцентрова сила вирів, завдяки чому підвищується рівень вод морів і океанів.
А чим нижче відцентрова сила вирів, тим нижче рівень вод морів і океанів.

Швидкість течій, по периметру морів і океанів не скрізь однакова і залежить від глибини узбережжя. У мілководній частині моря швидкість течій збільшується, а в глибоководній частині моря зменшується.
Сезонні коливання рівня вод спостерігаю-ться не по всьому узбережжю морів і океан-ів, а тільки в тих узбережжях де висока кутова швидкість течій і як наслідок, висока відцентрова сила води. (Відцентрова сила F = v / r).
На прямолінійних узбережжях, де течії не мають кутовий швидкістю, рівень вод не підвищується.