Дефектоскопия / УЗ-дефектоскопия / Скорость звука

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

где К_ад — адиабатический модуль объёмного сжатия, p — плотность, ß_ад — адиабатическая сжимаемость, ß_из = yß_адизотермическая сжимаемость, y= c_p/c_v — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении c_p и при постоянном объёме c_v.

В идеальном газе С.З.:

(формула Лапласа), где p₀— среднее давление в среде, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, µ — молекулярный вес газа. При y= 1 получаем формулу Ньютона для С.З., соответствующую предположению об изотермическом характере процесса распространения. В жидкостях обычно можно пренебречь различием между адиабатическим и изотермическим процессами.

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

Табл. 1. — Скорость звука в газах при 0 °C и давлении 1 атм

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

Табл. 2. — Скорость звука в жидкостях при 20 °С

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

С.З. в изотропных твёрдых телах определяется модулями упругости вещества и его плотностью. В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, причём фазовая С.З. для продольной волны равна

а для сдвиговой

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

Табл. 3. — Скорость звука в некоторых твердых телах.

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

Измерение С.З. используется для определения многих свойств веществ. Измерение малых изменений С.З. является чувствительным методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерения С.З. и её 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.З.

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

Литература

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953; 2. Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; 3. Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, М., 1970; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.

Категория: Разное | Добавил: Admin (16.09.2008)