Glosar de fizică
Relaxarea acustică este procesul de recuperare termodinamic. echilibrul mediului, care a fost rupt datorită schimbărilor de presiune și temperatură în timpul trecerii undei sonore. Relaxarea acustică este un proces ireversibil, la care se furnizează energie. mișcarea moleculelor sau a ionilor într-o undă sonoră se modifică la int. gradele de libertate, excitându-le, ca urmare a scăderii energiei undelor sonore, adică absorbția sunetului are loc. Relaxarea acustică este întotdeauna însoțită de o dispersie a sunetului.
Cea mai simplă formă de relaxare acustică este relaxarea excitației intramoleculare sau relaxarea Kneser. Astfel de relaxare acustică are loc, de exemplu. în gazele diatomice și poliatomice, unde este furnizată energia. mișcarea moleculelor într-un val de sunet trece în energia asociată cu oscilația. și se rotește. gradul de libertate a moleculelor, adică populația se rotește. și oscilează. niveluri. Alte tipuri de relaxare acustică: relaxare structurală în lichide, în care acustice. Valul inițiază o schimbare în ordinea intervalului scurt în aranjamentul moleculelor lichide; Chem. Relaxare, la care echilibrul sub acțiunea chimică se schimbă în chim. reacție. Într-un corp solid, un val sonor sparge distribuția echilibrului fononilor. ceea ce duce la relaxare. procese care determină absorbția zgomotului. Unul dintre tipurile de relaxare acustică într-un corp solid este relaxarea dezacordurilor. defecte ale zăbrelei cristaline - atât punct cât și liniare (dislocări). asociate cu mișcarea defectelor sub acțiunea mecanică. subliniază într-un val elastic. Când sunetul se propagă în semiconductori și metale, distrugerea distribuției de echilibru a electronilor de conducere este distrusă, ceea ce duce și la relaxare și, în consecință, la o suplimentare. absorbția sunetului.
Pentru a descrie abaterea sistemului de la echilibru, este introdus un element suplimentar. parametrul x, în funcție de tipul de relaxare. procesul poate avea un dezacord. nat. sens (de ex. valoarea x poate descrie deviația concentrației moleculelor excitate de echilibru, schimbarea populațiilor de niveluri pentru sistemul cu două nivele, concentrația unuia chim component. reacționat la chimic. relaxarea si m. p.). Pentru a descrie propagarea sunetului într-un mediu cu relaxare, ele sunt considerate "externe". Parametrii, cum ar fi presiunea, densitatea și tempo-pa, și "intern". Parametrul x, a cărui schimbare cu timpul este descrisă de ecuație
unde m este timpul de relaxare și x0 este valoarea de echilibru a parametrului x.
Presiune acustică p în acustică. Valul propagat într-un mediu cu relaxare se dovedește a fi egal cu suma presiunii p0. cauzată numai de schimbarea densității și de presiunea suplimentară care rezultă din prezența relaxanților. proces. Această presiune suplimentară este deplasată în fază în raport cu modificarea densității, ceea ce conduce la o presiune suplimentară. (relaxare) absorbția sunetului. Din soluția ecuației (1) pentru armonic. unde se observă că pentru diferite frecvențe sonore abaterea lui x față de valoarea de echilibru este diferită, prin urmare, presiunea suplimentară pentru aceeași modificare a densității se dovedește a fi diferită pentru diferite frecvențe. În consecință, viteza sunetului depinde, de asemenea, de frecvență, adică de dispersia vitezei sonore care apare datorită relaxării acustice. Variația c cu frecvența este de la max. valori la frecvențe înalte atunci când procesul de stabilire a echilibrului nu ține pasul cu schimbările în densitate, până la min. valorile c0 la frecvențe joase, atunci când echilibrul poate fi stabilit pe deplin cu fluctuațiile de densitate și o presiune în exces dp = 0.
Calculul relaxării în propagarea sunetului este echivalent cu introducerea compresibilității complexe. Numărul de undă al undei sonore k este legat de frecvența w prin relație
Viteza undelor sonore și coeficientul corespunzător. relaxare. absorbția ap ca funcție de frecvență sunt exprimate prin formule aproximative
Dacă absorbția sunetului la o lungime de undă mică (ap l 1) și variația vitezei sunetului este scăzut, adică. E. Cum este cazul pentru majoritatea relaksats.protsessov. Viteza sunetului și coeficientul. Absorbția sunetului într-un mediu cu relaxare este legată de o relație Kramers-Kronig.
Fig. 1. Dependența patratului de viteza sunetului cu 2 pe frecvența w pentru un proces de relaxare, wr = 1 / m.
Dependența de viteza sunetului și de coeficientul. absorbția de la frecvența pentru o relaxare. proces au un caracter universal, indiferent de fizic. mecanismul, care este baza relaxării acustice (figurile 1 și 2). Efectul asupra relaxarea absorbție acustică și viteza sunetului depinde de relația dintre perioada de unda si timpul de relaxare, t. E. Amploarea WT la cer caracterizează gradul de restabilire a echilibrului. Cu cât wm mai mic, cu atât mai mult echilibrul se poate recupera în timpul perioadei de undă. La frecvențe joase, adică la wm1, absorbția suplimentară poate fi descrisă prin introducerea unei vâscozități în vrac cu eff. valoarea coeficientului. vracozitatea vrac = în acest caz, coeficientul. absorbția este proporțională. w 2. Viteza sunetului este c0. La frecvențe înalte, echilibrul nu are timp să se recupereze pe durata valului sonor și a coeficientului. absorbția sunetului tinde spre un post, o valoare egală cu coeficientul Când wm = 1. absorbția, înmulțită cu lungimea de undă, are un maxim egal cu ap l = T. o. valoarea dispersiei. sari e = (absorbanței lungime de undă la WT = 1 difere de p ori pentru orice media. Prin determinarea valorilor e și m a măsurătorilor de absorbție, și viteza sunetului, se poate seta parametrii ce caracterizează relaxarea. Process (Difuzor. spectroscopie), precum și pentru a determina astfel de proprietăți ale materiei precum capacitatea de căldură, constanta Grüneisen etc.
Având în vedere lățimea mare a dispersiei. (mai mult de două ordini de frecvență) pentru experimente. determinând valorile e și m, este necesar să se efectueze măsurători cu și într-un interval de frecvență largă pe ambele părți ale frecvenței de relaxare wp = 1 / m. În practică, relaxare. Absorbția sunetului este suprapusă pe absorbția obișnuită datorită vâscozității și conductivității termice. prin urmare, experimentați. curbele pentru ap nu au maxime atât de pronunțate, așa cum se arată în Fig. 2.
Fig. 2. Dependența coeficientului de absorbție a sunetului de relaxare ap pe lungimea de undă l pe frecvența circulară w.
Pentru a obține curbele de relaxare. absorbție, este necesar să se excludă contribuția altor tipuri de absorbție. Dacă mai multe. relaxare. procesele variază foarte mult în ceea ce privește timpul de relaxare, apoi dispersia. regiunile sunt separate (Figura 3), iar în cazul în care timpul de relaxare este aproape unul de altul, atunci forma de relaxare. curbele devin mai complicate.
Cele mai multe mecanisme de relaxare acustice de la -9 la T10 este prezentat numai la deformarea volumetrică și contribuie la viscozitate volumului. Cu toate acestea, în lichide și solide, dependența de frecvență și de viscozitatea de forfecare este posibilă datorită relaxării structurale. Lichidele cu viscozitate redusă (apă etc.) Aceasta apare la frecvențe foarte înalte () și lichide cu viscozitate ridicată (de ex. In salol), cum dependența a fost observată experimental.
Timpul de relaxare T caracterizează timpul pentru care parametrul x, care descrie abaterea sistemului de la echilibru, scade cu un factor de e:
Timpul de relaxare depinde de microscopie. proprietățile materiei, cum ar fi ca numărul de coliziuni ale moleculelor de gaz pe unitatea de timp și eficiența transferului de energie în timpul acestor coliziuni. Într-un gaz la o anumită temperatură, timpul de relaxare este direct proporțional cu numărul de coliziuni necesare pentru excitarea gradelor de libertate corespunzătoare. De exemplu. în condiții normale, într-un gaz pentru excitație, se rotește. Gradurile de libertate ale moleculelor sunt de obicei 100 de coliziuni, iar pentru excitație, oscilația. Gradul de libertate necesită 10 5 -10 6 coliziuni. Aceasta înseamnă că valoarea m pentru oscilații. Relaxarea este mult mai mare decât relaxarea prin rotație. Timpul de relaxare depinde de presiune și temperatură. Astfel, în gaze, de obicei unde P este presiunea. 3. Dependența vitezei normale a sunetului c / c0 și a coeficientului de absorbție a relaxării a / p pe lungimea de undă l pe frecvența w, raportată la presiunea gazului p. în prezența a două procese de relaxare.
de gaz. Prin urmare, relaxați-vă. Curbele pentru gaze sunt de obicei descrise ca funcții ale lui w / P. Acest lucru permite experimente. determinarea dependențelor ap și c pe schimbarea presiunii gazului și nu a frecvenței sunetului, ceea ce simplifică foarte mult măsurătorile. În gazele polatomice, oscilația predomină de obicei. relaxare. Zone de frecvențe în care apar vibrațiile. și se rotește. relaxare, sunt de obicei separate clar, deoarece timpii de relaxare pentru aceste două procese diferă de mai multe. comenzi. Prezența impurităților altor gaze afectează timpul de relaxare. De exemplu. în aer. Contribuția la absorbția sunetului dă o oscilație. relaxarea moleculelor de O2 și N2. iar frecvența de relaxare pentru O2 este mai mare decât pentru N2. Impuritățile vaporilor de apă și modificările temperaturii aerului afectează în mod semnificativ poziția relaxanților. din maxim. În cazul gazelor diatomice, valorile m sunt de obicei foarte mari, iar regiunea de relaxare se află în domeniul de frecvență acustică. Pentru gazele mai complexe, frecvența wp este mai mare (de ordinul 10 5 -10 7 Hz la o presiune de 1 atm).
În lichide, timpii de relaxare sunt mult mai scurți decât în gaze, deoarece toate procesele de rearanjare a fluidului au loc mai rapid. De aceea, în majoritatea lichidelor, frecvența relaxării acustice se află în regiunea hipersound.
În dielectrici solide atunci când respingeți un sistem de fononilor din timp de echilibru de relaxare este asociat cu o durată de viață de fononi undeva coeficient. conductivitatea termică, C - capacitatea de încălzire a rețelei, - cf. valoarea vitezei de sunet, la o temperatură T de ordin și mai mare decât cea a lui Debye. În propagarea sunetului în piezosemiconductors wp crește frecvența de relaxare cu creșterea conductivității cristalului și scade odată cu creșterea temperaturii și a mobilității purtătoare și dispersia coeficientului vitezei sunetului este determinat. electromecanice. comunicare. Luxații. Absorbția sunetului în cristale unice are, de asemenea, o relaxare. caracterul și timpul de relaxare depinde de lungimea segmentului oscilant al dislocării, de vectorul Burgers și de constantele lattice. Relaxare. procesele au loc și în polimeri, cauciucuri și dezacorduri. medii viscoelastice, în aceste substanțe. dispersia vitezei sunetului asociată cu relaxarea mecanismului de elasticitate ridicată.
Literatură de relaxare acustică
- Mandel'shtam, I. I. Leontovich, MA, "Cu privire la teoria absorbției acustice în lichide," JETP ", 1937, vol. 7, p. 3, p. 438;
- Mikhailov IG Soloviev VA, Syrnikov Yu P. Fundamentele acusticei moleculare, M. 1964;
- Physical acoustics, ed. U. Mason, per. cu engleza. t. 2, partea A și B, M. 1968-69;
- Herzfeld, K. F. Litovitz, T. A. Absorbția și dispersia undelor ultrasonice, N. Y. - L. 1959.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: