Dispersia vitezei sonore
Dispersia sunetului (DZ) a dependenței de viteza de fază a undelor sonore monocrome pe frecvență. DZ este motivul pentru schimbarea formei undei sonore (sunet puls) atunci când se propagă într-un mediu. Există DZ, datorită proprietăților fizice ale mediului, și DZ, datorită prezenței limitelor corpului, în care se răspândește undă sonoră și asupra proprietăților corpului nu este dependentă.
Primul tip de DZ, datorită proprietăților fizice ale mediului, este DZ asociat cu procesele de relaxare. care apar în mediu în timpul trecerii sunetului prezenței volny.Pri de relaxare a proceselor energetice a mișcării de translație a moleculelor care acestea sunt într-un val de sunet, este redistribuit la gradele interne de libertate. magnitudinea dispersiei vitezei sunetului depinde de grade de libertate particulare sunt excitate de acțiunea undei sonore.
Într-o anumită gamă de frecvențe apropiată de frecvența de relaxare, egală cu viteza sunetului, crește cu frecvență în creștere, adică există o așa numită dispersie pozitivă. Mai jos, în figura 1 este un grafic al DZ.
Dispersia vitezei sonore
În Fig. 1 - viteza sunetului la frecvențe joase (), - viteza sunetului la frecvențe foarte ridicate (), timp de relaxare.
Dispersia sunetului de primul tip poate fi cauzată din mai multe motive. Cele mai importante cazuri sunt dispersia sunetului asociată cu procesele de relaxare. care apar în mediul în timpul trecerii unui val sonor. Mecanismul apariției unei dispersii de sunet de relaxare poate fi clarificat prin exemplul unui gaz poliatomic. Când sunetul se propagă în gaz, moleculele de gaze efectuează o mișcare translațională. Dacă gazul este monatomic, atunci nici o altă mișcare, cu excepția atomilor de gaz de translație, nu poate funcționa. Dacă gazul polihidric, moleculele în coliziuni poate avea loc între o mișcare de rotație a moleculelor, precum mișcarea de vibrație a atomilor care constituie molecula. În acest caz, o parte din energia undei sonore este folosită pentru excitarea acestor mișcări vibraționale și rotaționale. Tranziția de la energia undei sonore (ex. E. De mișcare de translație) la gradele interne de libertate (ex. E. La mișcarea de vibrație și de rotație) nu se produce instantaneu, dar după un anumit timp, numit timpul de relaxare t. Acest timp este determinat de numărul de coliziuni care trebuie să apară între molecule pentru redistribuirea energiei între toate gradele de libertate. În cazul în care perioada de undă de sunet este mică în comparație cu t (frecvență înaltă), perioada de valuri de grade interne de libertate nu are timp să fie excitat și redistribuire a energiei nu are timp să apară. În acest caz, gazul se va comporta ca și cum nu ar exista deloc grade interne de libertate. În cazul în care perioada a undei de sunet este mult mai mare decât t (bas), pe parcursul perioadei de energia valurilor a mișcării de translație a timpului pentru a redistribui pe gradele interne de libertate. În acest caz, energia mișcării translaționale va fi mai mică decât în cazul în care nu ar exista grade interne de libertate. Deoarece gazul este determinată de elasticitatea energiei atribuibil mișcarea de translație a moleculelor, rezultă că elasticitatea gazului și deci viteza sunetului, va fi, de asemenea, mai mică decât în cazul frecvențelor înalte. Cu alte cuvinte, în anumite frecvențe apropiate de frecvența de relaxare, egală cu wp = 1 / t. Viteza sunetului crește odată cu creșterea frecvenței. adică există o așa-numită dispersie pozitivă. Dacă c0 - viteza sunetului la frecvențe joase (în greutate «1). și c∞ - la frecvențe foarte înalte (wt »1). viteza sunetului pentru o frecvență arbitrară este descrisă de formula
Datorită ireversibilității proceselor de redistribuire a energiei în domeniul de frecvență în care există o dispersie a sunetului, există o absorbție sporită a sunetului.
Al doilea tip de dispersie a sunetului este dispersia "geometrică" datorată prezenței limitelor corpului sau a mediului de propagare. Apare atunci când undele se propagă în tije, plăci, în orice ghiduri de undă acustice. Dispersia vitezei este observată pentru undele de îndoire în plăci și tije subțiri (grosimea plăcii sau tijei trebuie să fie mult mai mică decât lungimea de undă). Când se îndoaie o tijă subțire, elasticitatea de îndoire este mai mare cu cât este mai mică porțiunea de îndoire. Când se propagă valul de îndoire, lungimea porțiunii de îndoire este determinată de lungimea de undă. De aceea, pe măsură ce lungimea de undă scade (cu frecvență în creștere), crește elasticitatea și, prin urmare, viteza de propagare a undelor. Viteza de fază a unei astfel de valuri este proporțională cu rădăcina pătrată a frecvenței, adică există o dispersie pozitivă.
Utilizat în efecte științifice și tehnice
Relaxarea dispersiei sunetului poate fi nu numai gaz, ci și în fluidele corpului, unde este asociat cu diverse procese intermoleculare, soluții electrolitice, în amestecuri în care posibilele reacții chimice între componentele prin acțiunea sunetului în emulsii, precum și unele substanțe solide . Mărimea dispersiei sunetului poate fi foarte diferită în diferite substanțe. De exemplu, în dioxidul de carbon, valoarea dispersiei este de ordinul a 4%, în benzen
10%, în apă de mare este mai mică de 0,01%, și foarte vâscoase lichide și compuși polimer de mare în viteza sunetului se poate schimba cu 50%. Cu toate acestea, în majoritatea substanțelor dispersia sunetului este foarte mică și măsurătorile sale sunt destul de complicate. Intervalul de frecvență în care are loc dispersia sunetului este, de asemenea, diferit pentru diferite substanțe. Astfel, în dioxidul de carbon la o presiune normală și o temperatură de 18 ° C, rata de relaxare este de 28 kc, în apa de mare de 120 kHz. In compuși cum ar fi tetraclorura de carbon, benzen, cloroform și alții. Regiune de relaxare se află în regiunea de 9-10 octombrie 10 Hz interval de frecvență în care tehnicile convenționale de măsurare cu ultrasunete nu sunt aplicabile și dispersia sunetului poate fi măsurată numai prin utilizarea unor metode optice.
La dispersia sunetului același tip 1, dar nu și cu un caracter de relaxare plumb conductivitate termică și vâscozitatea mediului. Aceste tipuri de dispersie a sunetului datorită schimbului de energie între zonele de compresiune și rarefiere într-un val de sunet și sunt deosebit de importante pentru media micrononhomogeneous. dispersia sunetului se poate manifesta, de asemenea, într-un mediu cu neomogenități (rezonatori intercalate), cum ar fi apa, care conține bule de gaz. În acest caz, când frecvența sunetului apropiată de frecvența de rezonanță a bulei, o parte din energia valurilor de sunet merge în vibrațiile de excitație de bule, ceea ce conduce la dispersia absorbție a sunetului și ascendentă a sunetului.
Când sunetul se propagă în ghidurile de undă, câmpul sonor poate fi reprezentat ca o suprapunere a undelor normale ale căror viteze de fază pentru un ghid de undă dreptunghiular cu pereți rigizi au forma
unde n este numărul valului normal (n = 1, 2, 3), c este viteza sunetului în spațiu liber, d este lățimea ghidului de undă. Viteza de fază a undelor normale este întotdeauna mai mare decât viteza sunetului într-un mediu liber și scade cu frecvență în creștere (dispersie "negativă").
În sens restrâns, dispersia sunetului este uneori numită saltul de dispersie al vitezei sunetului δ = (c∞ - co) / co. unde co și c∞ sunt valorile vitezei sonore pentru ωτ → 0 și ωτ → ∞. Valoarea de dispersie pentru diferite procese de relaxare este dată în tabelul 1.
Viteze de viteză dispersive pentru unele substanțe
* Valorile corespund sumei salturilor de dispersie pentru procesele de relaxare cu frecvențe mai mari de 1 MHz.
1. Frish S.E. Timoreva A.V. Curs de fizică generală. Volumul 1. Bazele fizice ale mecanicii. Molecular physics. Fluctuații și valuri. - 11 ed. sr. - M. Fizmatgiz, 1962.- 466 p. il. P. 445.
2. Krasilnikov V.A. Undele sonore și ultrasonice: Proc. Alocație. - ed. 3 Revizuit. și suplimentare. - M. Fizmatgiz, 1960.- 560 p. il. P. 66.
Suportul pentru cadrele încorporate este necesar.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: