Znamo da zvuk putuje zrakom. Zato možemo čuti. Zvuk ne može postojati u vakuumu. Ali ako se zvuk prenosi kroz zrak, zbog međudjelovanja njegovih čestica, neće li ga prenositi druge tvari? Bit će.

Širenje i brzina zvuka u različitim medijima

Zvuk se ne prenosi samo zrakom. Vjerojatno svi znaju da ako stavite uho na zid, možete čuti razgovore u susjednoj sobi. U ovom slučaju, zvuk se prenosi zidom. Zvukovi se šire u vodi i drugim medijima. Štoviše, širenje zvuka u različitim okruženjima događa se na različite načine. Brzina zvuka varira ovisno o tvari.

Zanimljivo je da je brzina širenja zvuka u vodi gotovo četiri puta veća nego u zraku. Odnosno, ribe čuju "brže" od nas. U metalima i staklu zvuk putuje još brže. To je zato što je zvuk vibracija medija, a zvučni valovi putuju brže u medijima s boljom vodljivošću.

Gustoća i vodljivost vode veća je od zraka, ali manja od metala. Sukladno tome, zvuk se prenosi drugačije. Pri prelasku iz jednog medija u drugi, brzina zvuka se mijenja.

Duljina zvučnog vala također se mijenja dok prelazi iz jednog medija u drugi. Samo njegova frekvencija ostaje ista. Ali zato i kroz zidove možemo razlučiti tko konkretno govori.

Budući da je zvuk vibracija, svi zakoni i formule za vibracije i valove dobro su primjenjivi na zvučne vibracije. Pri izračunavanju brzine zvuka u zraku treba uzeti u obzir i činjenicu da ta brzina ovisi o temperaturi zraka. S porastom temperature povećava se i brzina širenja zvuka. U normalnim uvjetima brzina zvuka u zraku je 340,344 m/s.

zvučni valovi

Zvučni valovi, kao što je poznato iz fizike, šire se u elastičnim medijima. Zato se zvukovi dobro prenose zemljom. Prislonivši uho na zemlju, izdaleka možete čuti zvuk koraka, topot kopita i tako dalje.

U djetinjstvu su se sigurno svi zabavljali stavljajući uho na tračnice. Zvuk kotača vlaka prenosi se duž tračnica nekoliko kilometara. Za stvaranje obrnutog učinka apsorpcije zvuka koriste se mekani i porozni materijali.

Na primjer, za zaštitu od stranih zvukova bilo koju sobu, ili, obrnuto, kako bi se spriječilo da zvukovi pobjegnu iz sobe prema van, soba se tretira, zvučno izolirana. Zidovi, pod i strop tapecirani su posebnim materijalima na bazi pjenastih polimera. U takvoj presvlaci svi zvukovi vrlo brzo nestaju.

Većina ljudi dobro zna što je zvuk. Povezan je sa sluhom i povezan je s fiziološkim i psihološkim procesima. U mozgu se provodi obrada osjeta koji dolaze kroz organe sluha. Brzina zvuka ovisi o mnogim čimbenicima.

Zvukovi koje ljudi čuju

U općem smislu riječi zvuk je fizički fenomen, što uzrokuje učinak na organe sluha. Ima oblik longitudinalnih valova različitih frekvencija. Ljudi mogu čuti zvuk čija se frekvencija kreće od 16-20 000 Hz. Ti elastični longitudinalni valovi, koji se šire ne samo u zraku, već iu drugim medijima, dopirući do ljudskog uha, uzrokuju zvučne osjete. Ljudi ne mogu sve čuti. Elastični valovi s frekvencijom manjom od 16 Hz nazivaju se infrazvuk, a iznad 20 000 Hz - ultrazvuk. Njihovo ljudsko uho ne čuje.

Karakteristike zvuka

Dvije su glavne karakteristike zvuka: glasnoća i visina. Prvi od njih povezan je s intenzitetom elastičnog zvučnog vala. Postoji još jedan važan pokazatelj. Fizička količina, koja karakterizira visinu, je frekvencija titranja elastičnog vala. U ovom slučaju vrijedi jedno pravilo: što je veći, to je jači zvuk i obrnuto. Druga važna karakteristika je brzina zvuka. NA različite sredine ona je drugačija. Predstavlja brzinu širenja elastičnosti zvučni valovi. U plinovitom okruženju ovaj će pokazatelj biti manji nego u tekućinama. Brzina zvuka u čvrste tvari najviši. Štoviše, za uzdužne valove uvijek je veći nego za poprečne.

Brzina zvučnog vala

Ovaj pokazatelj ovisi o gustoći medija i njegovoj elastičnosti. U plinovitim medijima na to utječe temperatura tvari. Brzina zvuka u pravilu ne ovisi o amplitudi i frekvenciji vala. U rijetkim slučajevima, kada ove karakteristike imaju utjecaja, govori se o tzv. disperziji. Brzina zvuka u parama ili plinovima kreće se od 150-1000 m/s. U tekućim medijima to je već 750-2000 m / s, au čvrstim materijalima - 2000-6500 m / s. U normalnim uvjetima brzina zvuka u zraku doseže 331 m/s. NA obična voda- 1500 m/s.

Brzina zvučnih valova u različitim kemijskim medijima

Brzina širenja zvuka u različitim kemijskim medijima nije ista. Dakle, u dušiku je 334 m / s, u zraku - 331, u acetilenu - 327, u amonijaku - 415, u vodiku - 1284, u metanu - 430, u kisiku - 316, u heliju - 965, u ugljični monoksid- 338, u ugljičnoj kiselini - 259, u kloru - 206 m/s. Brzina zvučnog vala u plinovitim medijima raste s porastom temperature (T) i tlaka. U tekućinama se najčešće smanjuje s porastom T za nekoliko metara u sekundi. Brzina zvuka (m/s) u tekućem mediju (pri 20°C):

Voda - 1490;

Etilni alkohol - 1180;

benzen - 1324;

Merkur - 1453;

Ugljikov tetraklorid - 920;

Glicerin - 1923.

Jedina iznimka od ovog pravila je voda, u kojoj se brzina zvuka također povećava s porastom temperature. Svoj maksimum postiže kada se ova tekućina zagrije na 74°C. Kako temperatura dalje raste, brzina zvuka se smanjuje. S povećanjem tlaka, on će se povećati za 0,01% / 1 Atm. u slanom morska voda kako se temperatura, dubina i salinitet povećavaju, tako raste i brzina zvuka. U drugim okruženjima ovaj pokazatelj varira na različite načine. Dakle, u smjesi tekućine i plina, brzina zvuka ovisi o koncentraciji njegovih komponenti. U izotopnom krutom tijelu to je određeno gustoćom i modulima elastičnosti. Transverzalni (smični) i longitudinalni elastični valovi šire se u neograničenim gustim medijima. Brzina zvuka (m/s) in čvrste tvari(uzdužni/poprečni val):

Staklo - 3460-4800/2380-2560;

Taljeni kvarc - 5970/3762;

Beton - 4200-5300/1100-1121;

Cink - 4170-4200/2440;

Teflon - 1340/*;

Željezo - 5835-5950/*;

Zlato - 3200-3240/1200;

Aluminij - 6320/3190;

Srebro - 3660-3700/1600-1690;

Mjed - 4600/2080;

Nikal - 5630/2960.

Kod feromagneta brzina zvučnog vala ovisi o jakosti magnetskog polja. U monokristalima brzina zvučnog vala (m/s) ovisi o smjeru njegovog širenja:

• rubin (uzdužni val) - 11240;
• kadmijev sulfid (uzdužno / poprečno) - 3580/4500;
• litijev niobat (uzdužno) - 7330.

Brzina zvuka u vakuumu je 0, jer se u takvom okruženju jednostavno ne širi.

Određivanje brzine zvuka

Sve vezano uz zvučne signale zanimalo je naše pretke tisućama godina prije. Na definiranju suštine ovog fenomena radili su gotovo svi istaknuti znanstvenici. drevni svijet. Čak su i drevni matematičari otkrili da je zvuk uzrokovan oscilatorna kretanja tijelo. O tome su pisali Euklid i Ptolomej. Aristotel je utvrdio da se brzina zvuka razlikuje za konačnu vrijednost. Prve pokušaje određivanja ovog pokazatelja napravio je F. Bacon u 17. stoljeću. Brzinu je pokušao utvrditi uspoređujući vremenske intervale između zvuka pucnja i bljeska svjetlosti. Na temelju ove metode skupina fizičara s Pariške akademije znanosti po prvi je put odredila brzinu zvučnog vala. NA raznim uvjetima eksperimentu iznosila je 350-390 m/s. Teorijsko opravdanje brzinu zvuka prvi je put u svojim "Principima" razmatrao I. Newton. P.S. uspio je ispravno odrediti ovaj pokazatelj. Laplace.

Formule za brzinu zvuka

Za plinovite medije i tekućine, u kojima se zvuk širi, u pravilu, adijabatski, promjena temperature povezana s ekspanzijama i kompresijama u uzdužnom valu ne može se brzo izjednačiti u kratkom vremenskom razdoblju. Očito, na ovu brojku utječe nekoliko čimbenika. Brzina zvučnog vala u homogenom plinovitom mediju ili tekućini određena je sljedećom formulom:

gdje je β adijabatska stlačivost, ρ je gustoća medija.

U parcijalnim izvedenicama, ova se vrijednost izračunava prema sljedećoj formuli:

c 2 \u003d -υ 2 (δρ / δυ) S \u003d -υ 2 Cp / Cυ (δρ / δυ) T,

gdje su ρ, T, υ tlak medija, njegova temperatura i specifični volumen; S - entropija; Cp - izobarni toplinski kapacitet; Cυ - izohorni toplinski kapacitet. Za plinovite medije ova će formula izgledati ovako:

c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,

gdje je ζ vrijednost adijabate: 4/3 za višeatomske plinove, 5/3 za jednoatomne plinove, 7/5 za dvoatomne plinove (zrak); R - plinska konstanta (univerzalna); T je apsolutna temperatura, mjerena u kelvinima; k - Boltzmannova konstanta; t - temperatura u °C; M- molekulska masa; m- molekularna masa; ά 2 = ζR/M.

Određivanje brzine zvuka u čvrstom tijelu

U čvrstom tijelu s homogenošću postoje dvije vrste valova koji se razlikuju po polarizaciji oscilacija u odnosu na smjer širenja: transverzalni (S) i longitudinalni (P). Brzina prvog (C S) uvijek će biti manja od drugog (C P):

C P 2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1 - v)/(1 + v)(1-2v)ρ;

C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,

gdje K, E, G - moduli kompresije, Young, smicanje; v - Poissonov omjer. Pri proračunu brzine zvuka u čvrstom tijelu koriste se adijabatski moduli elastičnosti.

Brzina zvuka u višefaznom mediju

U višefaznim medijima, zbog neelastične apsorpcije energije, brzina zvuka izravno ovisi o frekvenciji titraja. U dvofaznom poroznom mediju izračunava se pomoću jednadžbi Biot-Nikolaevskog.

Zaključak

Mjerenje brzine zvučnog vala koristi se za određivanje različitih svojstava tvari, kao što su moduli elastičnosti krutina, stlačivost tekućina i plinova. Osjetljiva metoda za određivanje nečistoća je mjerenje malih promjena u brzini zvučnog vala. U čvrstim tijelima, fluktuacija ovog indeksa omogućuje proučavanje vrpčne strukture poluvodiča. Brzina zvuka vrlo je važna veličina, čije mjerenje vam omogućuje da naučite puno o različitim medijima, tijelima i drugim objektima. znanstveno istraživanje. Bez mogućnosti njegovog određivanja mnoga bi znanstvena otkrića bila nemoguća.

1.25. 3ZVUČNI VALOVI

Pojam zvučnog vala. Brzina zvuka u različitim medijima. Fizičke karakteristike zvuka: intenzitet, spektar, visina, glasnoća, prigušenje. Ultrazvuk i njegove primjene. Doppler efekt. udarni valovi.

Zvučni valovi.

Važna vrsta longitudinalnih valova su zvučni valovi . Tako se nazivaju valovi s frekvencijama od 17 - 20 000 Hz. Proučavanje zvuka naziva se akustika. U akustici se proučavaju valovi koji se šire ne samo u zraku, već iu bilo kojem drugom mediju. Elastični valovi s frekvencijom ispod 17 Hz nazivaju se infrazvuk, a oni s frekvencijom iznad 20 000 Hz ultrazvuk.

Zvučni valovi su elastične vibracije koje se u obliku valnog procesa šire u plinovima, tekućinama, čvrstim tijelima.

Pretjerani zvučni tlak. Jednadžba zvučnog vala.

Jednadžba elastičnog vala omogućuje izračunavanje pomaka bilo koje točke u prostoru kroz koji val prolazi, u bilo kojem trenutku. Ali kako govoriti o pomaku čestica zraka ili tekućine iz ravnotežnog položaja? Zvuk, šireći se u tekućini ili plinu, stvara područja kompresije i razrijeđenosti medija, u kojima se tlak povećava ili smanjuje u usporedbi s tlakom neporemećenog medija.

Ako je tlak i gustoća neporemećenog medija (sredstva kroz koje val ne prolazi), a je tlak i gustoća medija tijekom širenja valnog procesa u njemu, tada se veličina naziva nadpritisak . Vrijednost postoji maksimalna vrijednost pretlaka (amplituda nadpritiska ).

Promjena prekomjernog tlaka za ravni zvučni val (tj. jednadžba ravnog zvučnog vala) je:

gdje je y udaljenost od izvora oscilacija točke, prekomjerni tlak u kojem određujemo u trenutku t.

Ako uvedemo vrijednost prekomjerne gustoće i njegovu amplitudu na isti način kao što smo uveli vrijednost prekomjernog zvučnog tlaka, tada bi se jednadžba ravnog zvučnog vala mogla napisati na sljedeći način:

. (30.2)

Brzina zvuka- brzina širenja zvučnih valova u mediju. U pravilu je brzina zvuka u plinovima manja nego u tekućinama, au tekućinama je brzina zvuka manja nego u krutim tijelima. Što je veća gustoća, veća je brzina zvuka. Brzina zvuka u bilo kojem mediju izračunava se po formuli: gdje je β adijabatska kompresibilnost medija; ρ je gustoća.

Objektivna i subjektivna svojstva zvuka.

Sama riječ "zvuk" odražava dva različita, ali povezana koncepta: 1) zvuk kao fizički fenomen; 2) zvuk - percepcija koju slušni aparat (ljudsko uho) doživljava i osjeti koji iz toga proizlaze. Sukladno tome, karakteristike zvuka dijele se na cilj , koji se može mjeriti fizičkom opremom, i Ssubjektivan , određena percepcijom danog zvuka od strane osobe.

Objektivna (fizička) svojstva zvuka uključuju svojstva koja opisuju bilo koji valni proces: frekvenciju, intenzitet i spektralni sastav. U tablici 1. uključeni su usporedni podaci objektivnih i subjektivnih karakteristika.

Stol 1.

frekvencija zvuka mjeri se brojem oscilacija čestica medija koje sudjeluju u valnom procesu u 1 sekundi.

Intenzitet val se mjeri energijom koju val nosi u jedinici vremena kroz jedinicu površine (koja se nalazi okomito na smjer širenja vala).

Spektralni sastav (spektar) zvuk označava od kojih se vibracija taj zvuk sastoji i kako su amplitude raspoređene između njegovih pojedinačnih komponenti.

razlikovati kontinuirani i linijski spektri . Za subjektivnu procjenu glasnoće, količine tzv razina zvuka i razina glasnoće .

Tablica 2 - Objektivne karakteristike mehaničkih valnih procesa.

Za karakterizaciju veličina koje određuju percepciju zvuka, nisu toliko značajne apsolutne vrijednosti intenziteta zvuka i zvučnog tlaka, već njihov odnos prema određenim graničnim vrijednostima. Stoga se uvode pojmovi relativnih razina intenziteta i zvučnog tlaka.

Da bi se zvučni val mogao percipirati uhom, potrebno je da njegov intenzitet prelazi minimalnu vrijednost tzv. Pglasan sluh . Vrijednost je različita za različite frekvencije. Za frekvenciju, prag čujnosti je reda veličine. Iskustveno je utvrđeno da na svakoj frekvenciji postoji gornja granica zvučne snage, kada se prekorači, osoba osjeća bol. Vrijednost se zove prag boli.

Razina intenziteta (razina intenziteta zvuka) jednaka je decimalnom logaritmu omjera intenziteta zvuka na danoj frekvenciji i intenziteta zvuka na istoj frekvenciji na pragu čujnosti:

.

Glasnoća zvuka - subjektivna percepcija jačine zvuka (apsolutna vrijednost slušnog osjeta). Glasnoća uglavnom ovisi o zvučnom tlaku i frekvenciji zvučnih vibracija. Također, na glasnoću zvuka utječu njegova boja, trajanje izloženosti zvučnim vibracijama i drugi čimbenici. Razina glasnoće jednak je decimalnom logaritmu omjera intenziteta zvuka na danoj frekvenciji i intenziteta zvuka na frekvenciji od 1000 Hz na pragu čujnosti:

.

Jedinica razine intenziteta je bel (B): . Jedna desetina bele naziva se decibel (dB): 0,1B = 1dB. Formula za određivanje razine intenziteta u decibelima ima sljedeći oblik:

.

Napišemo li formulu za razinu glasnoće u obliku , tada je mjerna jedinica u SI s ovom definicijom veličine jedinica koja se naziva pozadina. Na frekvenciji od 1000 Hz, šum i skala decibela su isti, za ostale frekvencije su različiti.

Razina zvučnog tlaka jednak je umnošku 20 puta logaritma omjera zvučnog tlaka na danoj frekvenciji i zvučnog tlaka na pragu čujnosti. Mjerna jedinica u ovom slučaju je decibel.

.

Ultrazvuk: Mehaničke valove s frekvencijom osciliranja većom od 20 000 Hz osoba ne percipira kao zvuk.

Ultrazvuk je valno propagirajuće oscilatorno gibanje čestica medija i karakterizira ga niz razlikovna obilježja u usporedbi s čujnim rasponom. U ultrazvučnom frekvencijskom području relativno je lako dobiti usmjereno zračenje; ultrazvučne vibracije dobro se fokusiraju, zbog čega se povećava intenzitet ultrazvučnih vibracija u određenim zonama utjecaja. Kada se širi u plinovima, tekućinama i čvrstim tvarima, ultrazvuk stvara jedinstvene fenomene od kojih su mnogi našli praktičnu primjenu u raznim područjima znanosti i tehnologije. Od početka istraživanja u području primjene ultrazvučnih vibracija prošlo je nešto više od sto godina. Tijekom tog vremena deseci visoko učinkovitih, ekološki prihvatljivih ultrazvučnih tehnologija koje štede resurse pojavili su se u posjedu čovječanstva. Tu spadaju: tehnologije kaljenja, kalajisanja i lemljenja metala, sprječavanje stvaranja kamenca na površinama izmjenjivača topline, bušenje krhkih i posebno tvrdih materijala, sušenje termolabilnih tvari, ekstrakcija životinjskih i biljnih sirovina, otapanje, sterilizacija tekućih tvari, fino raspršivanje lijekova, teških goriva, proizvodnja emulzija i ultrafinih suspenzija, disperzija boja, zavarivanje metala i polimeri, pranje, čišćenje dijelova bez upotrebe zapaljivih i otrovnih otapala.

Posljednjih godina ultrazvuk je počeo igrati sve važniju ulogu u industriji i istraživanju. Uspješno su provedena teorijska i eksperimentalna istraživanja u području ultrazvučne kavitacije i akustičkih strujanja, što je omogućilo razvoj novih tehnoloških procesa koji se odvijaju pod djelovanjem ultrazvuka u tekućoj fazi. Trenutno se formira novi smjer u kemiji - ultrazvučna kemija, koja omogućuje ubrzanje mnogih kemijskih i tehnoloških procesa i dobivanje novih tvari. Znanstvena istraživanja doprinijela su nastanku novog dijela akustike - molekularne akustike, koja proučava molekularnu interakciju zvučnih valova s ​​materijom. Pojavila su se nova područja primjene ultrazvuka: introskopija, holografija, kvantna akustika, ultrazvučno mjerenje faze, akustoelektronika.

Uz teorijska i eksperimentalna istraživanja u području ultrazvuka obavljen je i veliki praktični rad. Razvijeni su univerzalni i specijalni ultrazvučni strojevi, instalacije koje rade pod povećanim statičkim tlakom, ultrazvučne mehanizirane instalacije za čišćenje dijelova, generatori s povećanom frekvencijom i novim sustavom hlađenja te pretvarači s ravnomjerno raspoređenim poljem.

Ehosonder je uređaj za određivanje dubine mora. Ultrazvučni lokator koristi se za određivanje udaljenosti do prepreke na putu. Kada ultrazvuk prolazi kroz tekućinu, čestice tekućine poprimaju velika ubrzanja i snažno utječu na različita tijela smještena u tekućini. Ovo se koristi za ubrzavanje raznih tehnoloških procesa (primjerice, priprema otopina, pranje dijelova, štavljenje kože itd.). Ultrazvuk se koristi za otkrivanje kvarova na metalnim dijelovima.U medicini se radi ultrazvučni pregled unutarnjih organa.

Doppler efekt zove se promjena frekvencije oscilacija koje percipira prijamnik, kada se izvor tih oscilacija i prijemnik pomiču relativno jedan prema drugom.

Da bismo razmotrili Dopplerov učinak, pretpostavimo da se izvor zvuka i prijamnik kreću po ravnoj liniji koja ih povezuje; v ja stojim v pr - odnosno brzina kretanja izvora i prijamnika, a pozitivne su ako se izvor (prijemnik) približava prijamniku (izvoru), a negativne ako se udaljava. Frekvencija titranja izvora je v 0 .

1. Izvor i prijemnik miruju u odnosu na medij, tj. v ist = v pr \u003d 0. Ako a v - brzina širenja zvučnog vala u mediju koji se razmatra, zatim valna duljina l= vT= v/ v 0 . Šireći se u mediju, val će doći do prijemnika i izazvati oscilacije njegovog zvučno osjetljivog elementa s frekvencijom

Prema tome, učestalost v zvuk koji će prijemnik registrirati jednak je frekvenciji v 0 , s kojom zvučni val emitira izvor.

2. Prijemnik se približava izvoru, a izvor miruje, tj. v pr >0, v ist =0. U tom će slučaju brzina širenja vala u odnosu na prijamnik biti jednaka v + v itd. Budući da se valna duljina ne mijenja, onda

(30.4)

tj. frekvencija oscilacija koju percipira prijamnik, u ( v+ v itd.) / v puta frekvencija izvora.

3. Izvor se približava nasljedniku, a prijemnik miruje, tj. v ist >0, v pr \u003d 0.

Brzina širenja oscilacija ovisi samo o svojstvima medija, stoga će u vremenu jednakom razdoblju oscilacija izvora val koji emitira putovati u smjeru udaljenosti prijemnika. vT(jednaka valnoj duljini l) bez obzira da li se izvor kreće ili miruje. Za isto vrijeme izvor će prijeći udaljenost u smjeru vala v ist T(Sl. 224), tj. valna duljina u smjeru kretanja će se smanjiti i postati jednaka l"=l-v ist T=(v-v ist) T, onda

(30.5)

tj. učestalost n vibracije koje prima prijamnik će se povećati v/(v – v ist) puta. U slučajevima 2 i 3, ako v ist<0 и v itd<0, знак будет обратным.

4. Izvor i prijamnik se kreću relativno jedan prema drugom. Koristeći rezultate dobivene za slučajeve 2 i 3, možemo napisati izraz za frekvenciju oscilacija koje percipira prijamnik:

(30.6)

štoviše, gornji znak se uzima ako se tijekom kretanja izvora ili prijemnika približavaju jedni drugima, donji znak - u slučaju njihovog međusobnog uklanjanja.

Iz gornjih formula proizlazi da je Dopplerov efekt različit ovisno o tome kreće li se izvor ili prijamnik. Ako se smjerovi brzina v na v Ako se ne poklapaju s pravom linijom koja prolazi kroz izvor i prijamnik, tada umjesto ovih brzina u formuli (30.6) treba uzeti njihove projekcije na pravac te ravnice.

udarni val: diskontinuirana ploha koja se kreće u odnosu na plin/tekućinu/kruta tijela i pri prelasku koje tlak, gustoća,

temperatura i brzina doživljavaju skok.

Udarni valovi nastaju tijekom eksplozija, detonacija, tijekom nadzvučnih kretanja tijela, s jakim električnim. pražnjenja itd. Primjerice, pri eksploziji eksploziva nastaju jako zagrijani produkti eksplozije koji imaju veliku gustoću i pod visokim su tlakom. U početku su okruženi zrakom koji miruje pri normalnoj gustoći i atmosferskom tlaku. Produkti eksplozije koji se šire komprimira okolni zrak, au svakom trenutku samo je zrak u određenom volumenu komprimiran; izvan ovog volumena, zrak ostaje nesmetan. S vremenom se volumen komprimiranog zraka povećava. Površina koja odvaja komprimirani zrak od neporemećenog zraka je prednja strana udarnog vala. U nizu slučajeva nadzvučnog gibanja tijela u plinu (topničke granate, svemirska vozila za spuštanje), smjer gibanja plina ne podudara se s normalom na površinu fronte udarnog vala, a tada nastaju kosi udarni valovi .

Primjer nastanka i širenja udarnog vala je kompresija plina u cijevi pomoću klipa. Ako se klip polagano kreće u plin, onda kroz plin brzinom zvuka a radi akustično. (elastični) kompresijski val. Ako brzina klipa nije mala u usporedbi s brzinom zvuka, nastaje udarni val čija je brzina širenja kroz neporemećeni plin veća od brzine gibanja čestica plina (tzv. masena brzina), što poklapa se s brzinom klipa. Razmaci između čestica u udarnom valu manji su nego u neporemećenom plinu zbog kompresije plina. Ako se klip najprije gurne u plin pri maloj brzini i postupno ubrzava, tada udarni val ne nastaje odmah. Prvo nastaje val kompresije s kontinuiranom raspodjelom gustoće r i tlaka R. S vremenom se strmost prednjeg dijela vala kompresije povećava, jer ga sustižu i pojačavaju poremećaji iz klipa koji se brzo kreće, zbog čega dolazi do oštrog skoka u cijeloj hidrodinamici. količine, tj. udarni val

Udarni val u realnim plinovima. U realnom plinu pri visokim temperaturama dolazi do pobude molekularnih vibracija, disocijacije molekula, kemijskih reakcija, ionizacije itd., što je povezano s troškovima energije i promjenom broja čestica. U ovom slučaju unutarnja energija e na kompliciran način ovisi o str i ρ a parametri plina iza fronte.

Za redistribuciju energije plina komprimiranog i zagrijanog u jakom udarnom valu na različite stupnjeve slobode obično je potrebno mnogo molekularnih sudara. Stoga je širina sloja Dx, u kojem se događa prijelaz iz početnog u konačno termodinamički ravnotežno stanje, tj. širina fronte udarnog vala, u realnim plinovima obično puno veća od širine viskoznog udara i iznosi određeno vremenom opuštanje najsporiji od procesa: pobuđivanje oscilacija, disocijacija, ionizacija itd. Distribucije

Riža. 25.1 Raspodjela temperature (a) i gustoće (b) u udarnom valu koji se širi u stvarnom plinu .

temperatura i gustoća u udarnom valu u ovom slučaju imaju oblik prikazan na sl. 25.1 gdje je viskozni udar prikazan kao eksplozija.

Udarni val u čvrstim tijelima. Energija i tlak u čvrstim tijelima imaju dvojaku prirodu: povezani su s toplinskim gibanjem i s međudjelovanjem čestica (toplinska i elastična komponenta). Teorija međučestičnih sila ne može dati opću ovisnost elastičnih komponenti tlaka i energije o gustoći u širokom rasponu za različite tvari, pa je stoga teoretski nemoguće konstruirati funkciju koja povezuje ( str,ρ) ispred i iza fronte udarnog vala. Stoga se proračuni za čvrsta (i tekuća) tijela određuju iz iskustva ili poluempirijski. Značajna kompresija čvrstih tvari zahtijeva tlakove od milijuna atmosfera, koji se sada postižu u eksperimentalnim studijama. U praksi su od velike važnosti slabi udarni valovi s pritiscima od 10 4 -10 5 atm. To su tlakovi koji se razvijaju pri detonaciji, eksplozijama u vodi, udarima produkata eksplozije o prepreke itd. Kod niza tvari - željeza, bizmuta i drugih, u udarnom valu dolazi do faznih prijelaza - polimorfnih transformacija. Pri niskim pritiscima u čvrstim tvarima, elastični valovi , čije se širenje, kao i širenje slabih kompresijskih valova u plinovima, može razmatrati na temelju zakona akustike.

Za širenje zvuka potreban je elastični medij. Zvučni valovi se ne mogu širiti u vakuumu jer tamo nema ničega što bi vibriralo. To se može provjeriti jednostavnim pokusom. Ako se električno zvono stavi ispod staklenog zvona, kako se zrak ispumpava ispod zvona, zvuk iz zvona će postajati sve slabiji i slabiji dok potpuno ne prestane.

Poznato je da za vrijeme grmljavinske oluje vidimo bljesak munje i tek nakon nekog vremena čujemo grmljavinu. Ovo kašnjenje nastaje zbog činjenice da je brzina zvuka u zraku mnogo manja od brzine svjetlosti koja dolazi od munje.

Brzinu zvuka u zraku prvi je izmjerio 1636. godine francuski znanstvenik M. Mersen. Na temperaturi od 20 ° C, to je jednako 343 m / s, tj. 1235 km / h. Imajte na umu da se na tu vrijednost smanjuje brzina metka ispaljenog iz jurišne puške Kalašnjikov na udaljenosti od 800 m. Izlazna brzina metka je 825 m/s, što je mnogo više od brzine zvuka u zraku. Stoga se osoba koja čuje zvuk pucnja ili zvižduk metka ne treba brinuti: ovaj metak ju je već prošao. Metak nadmašuje zvuk pucnja i doseže žrtvu prije nego zvuk stigne.

Brzina zvuka u plinovima ovisi o temperaturi medija: s porastom temperature zraka ona raste, a s padom opada. Na 0 °C brzina zvuka u zraku je 332 m/s.

Zvuk putuje različitim brzinama u različitim plinovima. Što je veća masa molekule plina, to je manja brzina zvuka u njoj. Dakle, pri temperaturi od 0 ° C, brzina zvuka u vodiku je 1284 m/s, u heliju - 965 m/s, au kisiku - 316 m/s.

Brzina zvuka u tekućinama općenito je veća od brzine zvuka u plinovima. Brzinu zvuka u vodi prvi su izmjerili 1826. godine J. Colladon i J. Sturm. Svoje pokuse izveli su na Ženevskom jezeru u Švicarskoj. Na jednom su brodu zapalili barut i ujedno udarali u zvono spušteno u vodu. Zvuk ovog zvona, spuštenog u vodu, uhvaćen je na drugom brodu, koji se nalazio na udaljenosti od 14 km od prvog. Brzina zvuka u vodi određena je vremenskim intervalom između bljeska svjetlosnog signala i dolaska zvučnog signala. Na temperaturi od 8°C pokazalo se da iznosi 1440 m/s.

Brzina zvuka u čvrstim tijelima je veća nego u tekućinama i plinovima. Ako stavite uho na šinu, tada se nakon udarca o drugi kraj šine čuju dva zvuka. Jedan od njih doseže uho duž tračnice, drugi - kroz zrak.

Zemlja ima dobru zvučnu vodljivost. Stoga su se u starim danima za vrijeme opsade u zidine tvrđave postavljali "slušači" koji su po zvuku koji je prenosila zemlja mogli odrediti da li se neprijatelj dokopava zidina ili ne. Prislonivši uho na zemlju, promatrali su i približavanje neprijateljske konjice.

Čvrsta tijela dobro provode zvuk. Zbog toga ljudi koji su izgubili sluh ponekad mogu plesati uz glazbu koja ne dopire do slušnih živaca kroz zrak i vanjsko uho, već kroz pod i kosti.

Brzina zvuka može se odrediti poznavanjem valne duljine i frekvencije (ili perioda) titranja.

Brzina zvuka- brzina širenja elastičnih valova u sredstvu: uzdužna (u plinovima, tekućinama ili krutim tijelima) i poprečna, posmična (u krutim tijelima). Određena je elastičnošću i gustoćom medija: u pravilu je brzina zvuka u plinovima manja nego u tekućinama, a u tekućinama manja nego u čvrstim tijelima. Također, u plinovima, brzina zvuka ovisi o temperaturi dane tvari, u pojedinačnim kristalima - o smjeru širenja valova. Obično ne ovisi o frekvenciji vala i njegovoj amplitudi; u slučajevima kada brzina zvuka ovisi o frekvenciji, govori se o disperziji zvuka.

Enciklopedijski YouTube

• 1 / 5

  Već kod antičkih autora postoji naznaka da je zvuk posljedica oscilatornog kretanja tijela (Ptolomej, Euklid). Aristotel primjećuje da je brzina zvuka konačne veličine i ispravno zamišlja prirodu zvuka. Pokušaji eksperimentalnog određivanja brzine zvuka sežu u prvu polovicu 17. stoljeća. F. Bacon je u "Novom Organonu" ukazao na mogućnost određivanja brzine zvuka usporedbom vremenskih intervala između bljeska svjetlosti i zvuka pucnja. Koristeći ovu metodu razni istraživači (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, grupa znanstvenika s Pariške akademije znanosti - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Römer) odredili su vrijednost brzine zvuka. (ovisno o eksperimentalnim uvjetima, 350-390 m/s). Teoretski, pitanje brzine zvuka prvi je razmatrao I. Newton u svojim "Principima". Newton je zapravo pretpostavio izotermno širenje zvuka, pa je dobio podcijenjenu vrijednost. Ispravnu teoretsku vrijednost za brzinu zvuka dobio je Laplace.

  Proračun brzine u tekućini i plinu

  Brzina zvuka u homogenoj tekućini (ili plinu) izračunava se po formuli:

  c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))

  U parcijalnim derivatima:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\ djelomični p)(\djelomični v))\desno)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (Cp)(Cv))\lijevo((\frac (\djelomični p) (\djelomično v))\desno)_(T))))

  gdje β (\displaystyle \beta )- adijabatska stlačivost medija; ρ (\displaystyle \rho )- gustoća; Cp (\displaystyle Cp)- izobarni toplinski kapacitet; c v (\displaystyle cv)- izohorni toplinski kapacitet; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- tlak, specifični volumen i temperatura medija; s (\displaystyle s)- entropija okoline.

  Za otopine i druge složene fizikalne i kemijske sustave (na primjer, prirodni plin, nafta), ovi izrazi mogu dati vrlo veliku pogrešku.

  Krutine

  U prisutnosti sučelja, elastična energija može se prenositi kroz površinske valove različitih vrsta, čija se brzina razlikuje od brzine uzdužnih i poprečnih valova. Energija tih oscilacija može biti višestruko veća od energije skupnih valova.