Tudjuk, hogy a hang a levegőben terjed. Ezért hallhatjuk. Vákuumban nem létezhet hang. De ha a hang a levegőn keresztül terjed, annak részecskéinek kölcsönhatása miatt, akkor más anyagok nem továbbítják? Lesz.

A hang terjedése és sebessége különböző médiában

A hangot nem csak a levegő továbbítja. Valószínűleg mindenki tudja, hogy ha a falhoz dugja a fülét, a szomszéd szobában hallhatja a beszélgetéseket. Ebben az esetben a hangot a fal továbbítja. A hangok vízben és más közegben terjednek. Sőt, a hang terjedése különböző környezetekben eltérő módon történik. A hang sebessége változó az anyagtól függően.

Érdekes módon a hang terjedési sebessége a vízben majdnem négyszer nagyobb, mint a levegőben. Vagyis a halak "gyorsabban" hallanak, mint mi. Fémekben és üvegben a hang még gyorsabban terjed. A hang ugyanis a közeg rezgése, és a hanghullámok gyorsabban terjednek a jobb vezetőképességű közegben.

A víz sűrűsége és vezetőképessége nagyobb, mint a levegőé, de kisebb, mint a fémeké. Ennek megfelelően a hangot másképp továbbítják. Amikor egyik közegről a másikra mozog, a hang sebessége megváltozik.

A hanghullám hossza is változik, ahogy az egyik közegből a másikba kerül. Csak a frekvenciája marad változatlan. De ettől még a falakon keresztül is meg tudjuk különböztetni, hogy konkrétan ki beszél.

Mivel a hang rezgés, a rezgésekre és hullámokra vonatkozó összes törvény és képlet jól alkalmazható a hangrezgésekre. A levegőben lévő hangsebesség kiszámításakor azt is figyelembe kell venni, hogy ez a sebesség a levegő hőmérsékletétől függ. A hőmérséklet növekedésével a hang terjedési sebessége nő. Normál körülmények között a hang sebessége a levegőben 340 344 m/s.

hang hullámok

A hanghullámok, amint az a fizikából ismeretes, rugalmas közegben terjednek. Ezért a hangokat jól közvetíti a föld. Füledet a földre téve már messziről hallod a léptek zaját, a paták csörömpölését stb.

Gyermekkorában bizonyára mindenki úgy szórakozott, hogy a fülét a sínekre tette. A vonat kerekeinek hangja több kilométeren keresztül továbbítódik a síneken. A hangelnyelés fordított hatásának megteremtésére puha és porózus anyagokat használnak.

Például védekezni ellene idegen hangok bármely helyiségben, vagy fordítva, annak érdekében, hogy a hangok a helyiségből kifelé ne szökjenek ki, a helyiséget kezeljük, hangszigeteljük. A falak, a padló és a mennyezet speciális habosított polimer alapú anyagokkal vannak kárpitozva. Egy ilyen kárpitban minden hang nagyon gyorsan elhallgat.

A legtöbb ember jól tudja, mi az a hang. A hallással és a fiziológiai és pszichológiai folyamatokkal kapcsolatos. Az agyban a hallószerveken keresztül érkező érzetek feldolgozása történik. A hangsebesség sok tényezőtől függ.

Hangok, amelyeket az emberek hallanak

A szó általános értelmében a hang az fizikai jelenség, amely hatással van a hallószervekre. Különböző frekvenciájú longitudinális hullámok formája van. Az emberek olyan hangokat hallanak, amelyek frekvenciája 16-20 000 Hz között van. Ezek a rugalmas longitudinális hullámok, amelyek nemcsak a levegőben, hanem más közegekben is terjednek, elérve az emberi fület, hangérzetet keltenek. Az emberek nem hallanak mindent. A 16 Hz-nél kisebb frekvenciájú rugalmas hullámokat infrahangnak, 20 000 Hz felett pedig ultrahangnak nevezik. Az emberi fülük nem hall.

Hangjellemzők

A hangnak két fő jellemzője van: a hangosság és a hangmagasság. Ezek közül az első a rugalmas hanghullám intenzitásával kapcsolatos. Van még egy fontos mutató. Fizikai mennyiség, amely a magasságot jellemzi, a rugalmas hullám oszcillációs frekvenciája. Ebben az esetben egy szabály érvényes: minél nagyobb, annál magasabb a hang, és fordítva. Egy másik fontos jellemző a hangsebesség. NÁL NÉL különböző környezetekbenő más. Ez a rugalmasság terjedési sebességét jelenti hang hullámok. Gáznemű környezetben ez a mutató kisebb lesz, mint folyadékokban. A hang sebessége szilárd anyagok a legmagasabb. Sőt, a hosszanti hullámoknál ez mindig nagyobb, mint a keresztirányú hullámoknál.

Hanghullám sebessége

Ez a mutató a közeg sűrűségétől és rugalmasságától függ. Gáznemű közegben az anyag hőmérséklete befolyásolja. A hangsebesség általában nem függ a hullám amplitúdójától és frekvenciájától. Ritka esetekben, amikor ezek a jellemzők befolyással vannak, úgynevezett szóródásról beszélünk. A hang sebessége gőzökben vagy gázokban 150-1000 m/s. Folyékony közegben már 750-2000 m/s, szilárd anyagokban pedig 2000-6500 m/s. Normál körülmények között a hangsebesség levegőben eléri a 331 m/s-ot. NÁL NÉL tiszta víz- 1500 m/s.

A hanghullámok sebessége különböző kémiai közegekben

A hangterjedés sebessége a különböző kémiai közegekben nem azonos. Tehát nitrogénben 334 m / s, levegőben - 331, acetilénben - 327, ammóniában - 415, hidrogénben - 1284, metánban - 430, oxigénben - 316, héliumban - 965, in szén-monoxid- 338, szénsavban - 259, klórban - 206 m/s. A hanghullám sebessége gáznemű közegben a hőmérséklet (T) és a nyomás növekedésével nő. Folyadékokban leggyakrabban a T érték másodpercenkénti több méteres növekedésével csökken. Hangsebesség (m/s) folyékony közegben (20°C-on):

Víz - 1490;

Etil-alkohol - 1180;

benzol - 1324;

Merkúr - 1453;

Szén-tetraklorid - 920;

Glicerin - 1923.

Ez alól az egyetlen kivétel a víz, amelyben a hangsebesség is nő a hőmérséklet emelkedésével. Maximumát akkor éri el, ha ezt a folyadékot 74°C-ra melegítjük. Ahogy a hőmérséklet tovább emelkedik, a hangsebesség csökken. A nyomás növekedésével 0,01% / 1 Atm növekszik. sósban tengervíz a hőmérséklet, a mélység és a sótartalom növekedésével a hangsebesség is nő. Más környezetekben ez a mutató eltérő módon változik. Tehát folyadék és gáz keverékében a hang sebessége az összetevők koncentrációjától függ. Izotópos szilárd anyagban a sűrűsége és a rugalmassági modulusai határozzák meg. Keresztirányú (nyírási) és longitudinális rugalmas hullámok terjednek határtalan sűrű közegben. Hangsebesség (m/s) hüvelyk szilárd anyagok(hosszirányú / keresztirányú hullám):

Üveg - 3460-4800/2380-2560;

Olvasztott kvarc - 5970/3762;

Beton - 4200-5300/1100-1121;

Cink - 4170-4200/2440;

teflon - 1340/*;

Vas - 5835-5950/*;

Arany - 3200-3240/1200;

Alumínium - 6320/3190;

Ezüst - 3660-3700/1600-1690;

Sárgaréz - 4600/2080;

Nikkel - 5630/2960.

A ferromágneseknél a hanghullám sebessége a mágneses tér erősségétől függ. Egykristályokban a hanghullám sebessége (m/s) függ terjedésének irányától:

• rubin (hosszirányú hullám) - 11240;
• kadmium-szulfid (hosszirányú / keresztirányú) - 3580/4500;
• lítium-niobát (hosszirányú) - 7330.

A hang sebessége vákuumban 0, mert ilyen környezetben egyszerűen nem terjed.

A hangsebesség meghatározása

Minden, ami a hangjelzésekkel kapcsolatos, már évezredekkel ezelőtt érdekelte őseinket. Szinte minden prominens tudós dolgozott a jelenség lényegének meghatározásán. ókori világ. Még az ókori matematikusok is megállapították, hogy a hangot az okozza oszcilláló mozgások test. Eukleidész és Ptolemaiosz írt róla. Arisztotelész megállapította, hogy a hangsebesség véges értékkel különbözik. Ennek a mutatónak a meghatározására az első kísérleteket F. Bacon tette a 17. században. A sebességet a lövés hangja és a fényvillanás közötti időintervallumok összehasonlításával próbálta megállapítani. E módszer alapján a Párizsi Tudományos Akadémia fizikusainak egy csoportja először határozta meg a hanghullám sebességét. NÁL NÉL különféle feltételek kísérletben 350-390 m/s volt. Elméleti indoklás a hangsebességet az „Elvek”-ben először vette figyelembe I. Newton. P.S. sikerült ezt a mutatót helyesen meghatározni. Laplace.

Képletek a hangsebességre

Gáz-halmazállapotú közegeknél és folyadékoknál, amelyekben a hang általában adiabatikusan terjed, a hosszanti hullámban bekövetkező tágulásokkal és összenyomódásokkal összefüggő hőmérsékletváltozás nem tud gyorsan kiegyenlítődni rövid időn belül. Nyilvánvaló, hogy ezt a számot több tényező is befolyásolja. A hanghullám sebességét homogén gáz-halmazállapotú közegben vagy folyadékban a következő képlet határozza meg:

ahol β az adiabatikus összenyomhatóság, ρ a közeg sűrűsége.

A részleges deriváltoknál ezt az értéket a következő képlet szerint számítják ki:

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

ahol ρ, T, υ a közeg nyomása, hőmérséklete és fajlagos térfogata; S - entrópia; Cp - izobár hőkapacitás; Cυ - izokhorikus hőkapacitás. Gáznemű közeg esetén ez a képlet így fog kinézni:

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

ahol ζ az adiabát értéke: 4/3 többatomos gázok, 5/3 egyatomos gázok, 7/5 kétatomos gázok (levegő); R - gázállandó (univerzális); T az abszolút hőmérséklet, kelvinben mérve; k - Boltzmann-állandó; t - hőmérséklet °C-ban; M- moláris tömeg; m- molekulatömeg; ά 2 = ζR/M.

A hangsebesség meghatározása szilárd testben

Egy homogenitású szilárd testben kétféle hullám létezik, amelyek a rezgések polarizációjában különböznek a terjedésük irányához képest: a keresztirányú (S) és a hosszanti (P). Az első (C S) sebessége mindig kisebb lesz, mint a másodiké (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,

ahol K, E, G - kompressziós modulusok, Young, nyírás; v - Poisson-hányados. Szilárd testben a hangsebesség kiszámításakor adiabatikus rugalmassági modulusokat használunk.

Hangsebesség többfázisú médiában

Többfázisú közegben az energia rugalmatlan elnyelése miatt a hangsebesség közvetlenül függ a rezgések gyakoriságától. Kétfázisú porózus közegben a Biot-Nikolajevszkij egyenletek segítségével számítják ki.

Következtetés

A hanghullám sebességének mérését az anyagok különféle tulajdonságainak meghatározására használják, mint például a szilárd anyag rugalmassági modulusa, folyadékok és gázok összenyomhatósága. A szennyeződések meghatározásának érzékeny módszere a hanghullám sebességének kismértékű változásának mérése. Szilárd testekben ennek az indexnek a fluktuációja lehetővé teszi a félvezetők sávszerkezetének tanulmányozását. A hangsebesség nagyon fontos mennyiség, melynek mérése sokféle médiáról, testről és egyéb tárgyról sok mindent megtudhat. tudományos kutatás. Ennek meghatározásának képessége nélkül sok tudományos felfedezés lehetetlen lenne.

1.25. 3 HANGHULLÁMOK

A hanghullám fogalma. A hangsebesség különböző médiában. A hang fizikai jellemzői: intenzitás, spektrum, hangmagasság, hangerő, csillapítás. Ultrahang és alkalmazásai. Doppler effektus. lökéshullámok.

Hang hullámok.

A longitudinális hullámok egyik fontos típusa hang hullámok . Ez a 17-20 000 Hz frekvenciájú hullámok neve. A hangok tanulmányozását akusztikának nevezik. Az akusztikában olyan hullámokat vizsgálnak, amelyek nemcsak a levegőben, hanem bármely más közegben is terjednek. A 17 Hz alatti frekvenciájú rugalmas hullámokat infrahangnak, a 20 000 Hz feletti frekvenciájúakat ultrahangnak nevezzük.

A hanghullámok rugalmas rezgések, amelyek hullámfolyamat formájában terjednek gázokban, folyadékokban, szilárd anyagokban.

Túlzott hangnyomás. Hanghullám egyenlet.

A rugalmas hullámegyenlet lehetővé teszi, hogy bármikor kiszámítsa a tér bármely pontjának elmozdulását, amelyen a hullám áthalad. De hogyan beszéljünk a levegő vagy a folyadék részecskéinek az egyensúlyi helyzetből való elmozdulásáról? A folyadékban vagy gázban terjedő hang a közeg összenyomódásának és megritkulásának olyan területeket hoz létre, amelyekben a nyomás a zavartalan közeg nyomásához képest növekszik vagy csökken.

Ha a zavartalan közeg (az a közeg, amelyen a hullám nem halad át) nyomása és sűrűsége, és a közeg nyomása és sűrűsége a hullámfolyamat terjedése közben, akkor a mennyiséget ún. túlnyomás . Érték van egy maximális túlnyomásérték (túlnyomás amplitúdója ).

A túlnyomás változása sík hanghullámra (azaz a síkhanghullám egyenletére) a következő:

ahol y a távolság a pont rezgésforrásától, a túlnyomás, amelyben meghatározzuk a t időpontban.

Ha a sűrűségtöbblet értékét és amplitúdóját ugyanúgy bevezetjük, mint a hangnyomástöbblet értékét, akkor a síkhanghullám egyenlete a következőképpen írható fel:

. (30.2)

Hangsebesség- a hanghullámok terjedési sebessége a közegben. A gázokban a hangsebesség általában kisebb, mint a folyadékokban, a folyadékokban pedig a hangsebesség kisebb, mint a szilárd anyagokban. Minél nagyobb a hangsűrűség, annál nagyobb a hangsebesség. A hangsebesség bármely közegben a következő képlettel számítható ki: ahol β a közeg adiabatikus összenyomhatósága; ρ a sűrűség.

A hang objektív és szubjektív jellemzői.

Maga a „hang” szó két különböző, de egymással összefüggő fogalmat tükröz: 1) a hang mint fizikai jelenség; 2) hang - az észlelés, amelyet a hallókészülék (emberi fül) tapasztal, és az ebből eredő érzések. Ennek megfelelően a hangjellemzők fel vannak osztva célkitűzés , fizikai eszközökkel mérhető, és Val velszubjektív , az adott hang személy általi észlelése határozza meg.

A hang objektív (fizikai) jellemzői közé tartoznak azok a jellemzők, amelyek bármilyen hullámfolyamatot leírnak: frekvencia, intenzitás és spektrális összetétel. Az 1. táblázatban. objektív és szubjektív jellemzők összehasonlító adatait tartalmazza.

Asztal 1.

hangfrekvencia a hullámfolyamatban részt vevő közeg részecskéinek 1 másodperc alatti rezgésének számával mérjük.

Intenzitás hullámot a hullám által egységnyi idő alatt egy egységnyi területen (a hullámterjedés irányára merőlegesen elhelyezkedő) átvitt energiával mérjük.

Spektrális összetétel (spektrum) A hang azt jelzi, hogy ez a hang milyen rezgésekből áll, és hogyan oszlanak meg az amplitúdók az egyes összetevők között.

Megkülönböztetni folytonos és vonalas spektrumok . A hangosság szubjektív értékeléséhez az úgynevezett mennyiségeket hangszint és hangerőszint .

2. táblázat - A mechanikai hullámfolyamatok objektív jellemzői.

A hangérzékelést meghatározó mennyiségek jellemzéséhez nem annyira a hangintenzitás és hangnyomás abszolút értékei a lényegesek, hanem azok viszonya bizonyos küszöbértékekhez. Ezért bevezetik az intenzitás és a hangnyomás relatív szintjeit.

Ahhoz, hogy egy hanghullám füllel érzékelhető legyen, szükséges, hogy intenzitása meghaladja az ún. Phangos hallás . Az érték a különböző frekvenciákon eltérő. Egy frekvencia esetében a hallásküszöb nagyságrendileg. Tapasztalatból kiderült, hogy minden frekvencián van a hangteljesítmény felső határa, ha túllépik, az ember fájdalmat érez. Az értéket ún fájdalomküszöb.

Intenzitás szintje (hangintenzitás szintje) egyenlő az adott frekvencián fellépő hangintenzitás és az azonos frekvencián a hallásküszöbön lévő hangintenzitás arányának decimális logaritmusával:

.

Hangerő - a hang erősségének szubjektív észlelése (a hallásérzés abszolút értéke). A hangerő elsősorban a hangnyomástól és a hangrezgések gyakoriságától függ. A hang hangerejét a hangszín, a hangrezgéseknek való kitettség időtartama és egyéb tényezők is befolyásolják. Hangerőszint egyenlő az adott frekvenciájú hangintenzitás és az 1000 Hz-es hangintenzitás közötti arány tízes logaritmusával a hallásküszöbön:

.

Az intenzitás mértékegysége: bel (B): . A béla egytizedét decibelnek (dB) nevezzük: 0,1B = 1dB. A decibelben kifejezett intenzitási szint meghatározásának képlete a következő:

.

Ha a formába írjuk a hangerőszint képletét , akkor a mértékegység SI-ben ezzel a mennyiségdefinícióval a háttérnek nevezett egység. 1000 Hz-es frekvencián a zümmögés és a decibel skála megegyezik, a többi frekvencia esetében eltérő.

Hangnyomás szint egyenlő az adott frekvencián fellépő hangnyomás és a hallásküszöbön lévő hangnyomás arányának 20-szoros logaritmusának szorzatával. A mértékegység ebben az esetben a decibel.

.

Ultrahang: A 20 000 Hz-nél nagyobb oszcillációs frekvenciájú mechanikai hullámokat az ember nem érzékeli hangként.

Az ultrahang a közeg részecskéinek hullámszerűen terjedő oszcilláló mozgása, és számos megkülönböztető jellegzetességek a hallható tartományhoz képest. Az ultrahang frekvencia tartományban viszonylag könnyen lehet irányított sugárzást szerezni; Az ultrahangos rezgések jól alkalmasak a fókuszálásra, aminek következtében az ultrahang rezgések intenzitása bizonyos hatászónákban megnő. A gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban terjedő ultrahang egyedi jelenségeket generál, amelyek közül sok gyakorlati alkalmazásra talált a tudomány és a technológia különböző területein. Valamivel több mint száz év telt el az ultrahangos rezgések alkalmazási területén végzett kutatások kezdete óta. Ez idő alatt tucatnyi rendkívül hatékony, erőforrás-takarékos és környezetbarát ultrahangos technológia jelent meg az emberiség vagyonában. Ide tartoznak: fémek edzési, ónozási és forrasztási technológiái, hőcserélő felületeken a vízkőképződés megelőzése, rideg és különösen kemény anyagok fúrása, hőre labilis anyagok szárítása, állati és növényi nyersanyagok kinyerése, folyékony anyagok oldása, sterilizálása, gyógyszerek, nehéz tüzelőanyagok finom permetezése, emulziók és ultrafinom szuszpenziók gyártása, színezékek diszperziója, fémhegesztésés polimerek, mosás, alkatrészek tisztítása gyúlékony és mérgező oldószerek használata nélkül.

Az utóbbi években az ultrahang egyre fontosabb szerepet kezdett játszani az iparban és a kutatásban. Sikeresen végeztek elméleti és kísérleti vizsgálatokat az ultrahangos kavitáció és az akusztikus áramlások területén, amelyek lehetővé tették új technológiai eljárások kidolgozását, amelyek az ultrahang hatására folyékony fázisban fordulnak elő. Jelenleg a kémia új iránya alakul ki - az ultrahangos kémia, amely lehetővé teszi számos kémiai és technológiai folyamat felgyorsítását és új anyagok beszerzését. A tudományos kutatás hozzájárult az akusztika új szakaszának - a molekuláris akusztika - kialakulásához, amely a hanghullámok és az anyag molekuláris kölcsönhatását vizsgálja. Az ultrahang új alkalmazási területei jelentek meg: introszkópia, holográfia, kvantumakusztika, ultrahangos fázismérés, akusztoelektronika.

Az ultrahang területén végzett elméleti és kísérleti kutatások mellett sok gyakorlati munka is történt. Kifejlesztésre kerültek univerzális és speciális ultrahangos gépek, megnövelt statikus nyomás alatt működő berendezések, ultrahangos gépesített alkatrészek tisztítására szolgáló berendezések, megnövelt frekvenciájú, új hűtőrendszerű generátorok, egyenletes eloszlású mezővel átalakítók.

A visszhangszonda a tenger mélységének meghatározására szolgáló eszköz. Ultrahangos lokátort használnak az úton lévő akadály távolságának meghatározására. Amikor az ultrahang áthalad egy folyadékon, a folyadék részecskéi nagy gyorsulást kapnak, és erősen befolyásolják a folyadékban elhelyezett különféle testeket. Ez a technológiai folyamatok széles skálájának felgyorsítására szolgál (például oldatkészítés, alkatrészek mosása, bőr cserzése stb.). Az ultrahang a fém alkatrészek hibáinak kimutatására szolgál.Az orvostudományban a belső szervek ultrahangos vizsgálatát végzik.

Doppler effektus A vevő által észlelt rezgések frekvenciájának változásának nevezzük, amikor ezeknek a rezgéseknek a forrása és a vevő egymáshoz képest elmozdul.

A Doppler-effektus figyelembevételéhez tegyük fel, hogy a hangforrás és a vevő az őket összekötő egyenes mentén mozog; vállok v pr - a forrás és a vevő mozgási sebessége, és pozitívak, ha a forrás (vevő) közeledik a vevőhöz (forrás), és negatívak, ha távolodnak. A forrás rezgési frekvenciája az v 0 .

1. A forrás és a vevő nyugalomban vannak a közeghez képest, azaz v ist = v pr \u003d 0. Ha egy v - a hanghullám terjedési sebessége a vizsgált közegben, majd a hullámhossz l= vT= v/ v 0 . A közegben terjedve a hullám eléri a vevőt és hangérzékeny elemének frekvenciájával rezgéseket okoz.

Ezért a frekvencia v a vevő által regisztrált hang megegyezik a frekvenciával v 0 , amellyel a hanghullámot a forrás bocsátja ki.

2. A vevő megközelíti a forrást, és a forrás nyugalomban van, azaz v pr >0, v ist =0. Ebben az esetben a vevőhöz viszonyított hullámterjedési sebesség egyenlő lesz v + v stb. Mivel a hullámhossz nem változik, akkor

(30.4)

azaz a vevő által észlelt rezgések frekvenciája, a ( v+ v stb) / v a forrásfrekvencia szorzata.

3. A forrás közeledik az utódhoz, és a vevő nyugalomban van, azaz v ist >0, v pr \u003d 0.

A rezgések terjedési sebessége csak a közeg tulajdonságaitól függ, ezért a forrás rezgési periódusával megegyező időben az általa kibocsátott hullám a vevőtávolság irányába halad. vT(egyenlő a hullámhosszal l) függetlenül attól, hogy a forrás mozog vagy nyugalomban van. Ugyanezen idő alatt a forrás megteszi a távolságot a hullám irányában v ist T(224. ábra), azaz a mozgás irányú hullámhossz csökken, és egyenlő lesz l"=l-v ist T=(v-v ist) T, akkor

(30.5)

azaz frekvencia n a vevő által érzékelt rezgések növekedni fognak v/(v – v ist) alkalommal. A 2. és 3. esetben, ha v ist<0 и v stb.<0, знак будет обратным.

4. A forrás és a vevő egymáshoz képest mozog. A 2. és 3. esetre kapott eredményeket felhasználva egy kifejezést írhatunk a vevő által észlelt rezgések frekvenciájára:

(30.6)

továbbá a felső jelzést akkor veszik, ha a forrás vagy a vevő mozgása során egymáshoz közelednek, az alsó jelet - kölcsönös eltávolításuk esetén.

A fenti képletekből következik, hogy a Doppler-effektus eltérő attól függően, hogy a forrás vagy a vevő mozog. Ha a sebességek irányai v nál nél v ha nem esnek egybe a forráson és a vevőn áthaladó egyenessel, akkor a (30.6) képletben ezek helyett a vetületeiket ennek az egyenesnek az irányába kell venni.

lökéshullám: nem folytonossági felület, amely a gáz/folyadék/szilárd testhez képest elmozdul, és amelynek áthaladásakor nyomás, sűrűség,

a hőmérséklet és a sebesség ugrást tapasztal.

A lökéshullámok robbanások, detonációk, testek szuperszonikus mozgása során keletkeznek, erős elektromossággal. kisülések stb. Például a robbanóanyagok robbanása során erősen felhevült robbanástermékek keletkeznek, amelyek nagy sűrűségűek és nagy nyomás alatt állnak. Kezdetben nyugalmi levegő veszi körül őket normál sűrűségű és légköri nyomáson. A robbanás táguló termékei összenyomják a környező levegőt, és minden pillanatban csak egy bizonyos térfogatú levegő sűríti össze; ezen a térfogaton kívül a levegő zavartalan marad. Idővel a sűrített levegő mennyisége növekszik. A sűrített levegőt a zavartalan levegőtől elválasztó felület a lökéshullám eleje. Számos esetben a testek szuperszonikus mozgása gázban (tüzérségi lövedékek, leszálló űrjárművek) a gázmozgás iránya nem esik egybe a lökéshullámfront felületének normáljával, és ekkor ferde lökéshullámok keletkeznek. .

A lökéshullám előfordulására és terjedésére példa a csőben lévő gáz dugattyú általi összenyomása. Ha a dugattyú lassan mozog a gázba, akkor a gázon keresztül hangsebességgel a akusztikusan fut. (rugalmas) kompressziós hullám. Ha a dugattyú sebessége nem kicsi a hangsebességhez képest, lökéshullám keletkezik, amelynek sebessége a zavartalan gázon keresztül terjed, nagyobb, mint a gázrészecskék mozgási sebessége (ún. tömegsebesség), egybeesik a dugattyú sebességével. A részecskék távolsága lökéshullámban kisebb, mint a zavartalan gázban a gázkompresszió miatt. Ha a dugattyút először kis sebességgel nyomják a gázba, és fokozatosan felgyorsítják, akkor a lökéshullám nem jön létre azonnal. Először egy kompressziós hullám keletkezik az r sűrűség és a nyomás folyamatos eloszlásával R. Idővel a kompressziós hullám elülső részének meredeksége növekszik, mivel a gyorsan mozgó dugattyúból származó perturbációk utolérik és felerősítik, aminek következtében minden hidrodinamikában éles ugrás következik be. mennyiségek, azaz lökéshullám

Lökéshullám valódi gázokban. Valódi gázban magas hőmérsékleten molekuláris rezgések gerjesztése, molekulák disszociációja, kémiai reakciók, ionizáció stb. megy végbe, ami energiaköltséggel és a részecskék számának változásával jár együtt. Ebben az esetben a belső energia e bonyolult módon attól függ pés ρ és gázparaméterek az eleje mögött.

Egy erős lökéshullámban összenyomott és felmelegített gáz energiájának különböző szabadsági fokokon történő újraelosztásához általában sok molekuláris ütközésre van szükség. Ezért annak a Dx rétegnek a szélessége, amelyben a kezdeti termodinamikai egyensúlyi állapotba való átmenet megtörténik, azaz a lökéshullámfront szélessége valós gázokban általában sokkal nagyobb, mint a viszkózus sokk szélessége, és az idő határozza meg pihenés a folyamatok közül a leglassabbak: oszcillációk gerjesztése, disszociáció, ionizáció stb.

Rizs. 25.1 A hőmérséklet (a) és sűrűség (b) eloszlása ​​valódi gázban terjedő lökéshullámban .

A lökéshullám hőmérséklete és sűrűsége ebben az esetben az ábrán látható formájú. 25.1, ahol a viszkózus lökés robbanásként van ábrázolva.

Lökéshullám szilárd testekben. A szilárd anyagok energiája és nyomása kettős természetű: a hőmozgáshoz és a részecskék (termikus és rugalmas komponensek) kölcsönhatásához kapcsolódnak. A részecskék közötti erők elmélete nem tudja megadni a nyomás és az energia rugalmas összetevőinek általános függőségét a sűrűségtől széles tartományban különböző anyagok esetén, ezért elméletileg lehetetlen olyan függvényt konstruálni, amely összeköti a p,ρ) lökéshullámfront előtt és mögött. Ezért a szilárd (és folyékony) testekre vonatkozó számításokat tapasztalatok alapján vagy félig tapasztalati úton határozzák meg. A szilárd anyagok jelentős összenyomásához több millió atmoszféra nyomásra van szükség, amit ma már kísérleti vizsgálatok során érnek el. A gyakorlatban nagy jelentősége van a 10 4 -10 5 atm nyomású gyenge lökéshullámoknak. Ezek a detonáció során kialakuló nyomások, vízben történő robbanások, robbanástermékek ütközések akadályokkal, stb. Számos anyagban – vasban, bizmutban és másokban – fázisátalakulások – polimorf átalakulások – lépnek fel lökéshullámban. Alacsony nyomáson szilárd anyagokban, rugalmas hullámok , melynek terjedése a gázokban a gyenge kompressziós hullámok terjedéséhez hasonlóan az akusztika törvényei alapján is szóba jöhet.

A hang terjedéséhez rugalmas közeg szükséges. A hanghullámok nem terjedhetnek vákuumban, mert nincs ott semmi rezgés. Ez egy egyszerű kísérlettel ellenőrizhető. Ha elektromos harangot helyezünk egy üvegharang alá, akkor ahogy a levegőt kiszivattyúzzuk a harang alól, a csengő hangja egyre gyengébb lesz, amíg teljesen meg nem szűnik.

Ismeretes, hogy zivatar közben villámot látunk, és csak egy idő után hallunk mennydörgést. Ez a késleltetés annak a ténynek köszönhető, hogy a hang sebessége a levegőben sokkal kisebb, mint a villámlásból érkező fény sebessége.

A hangsebességet a levegőben először M. Mersen francia tudós mérte meg 1636-ban. 20 ° C-os hőmérsékleten 343 m / s, azaz 1235 km / h. Vegye figyelembe, hogy erre az értékre csökken a Kalasnyikov géppuskából kilőtt golyó sebessége 800 m távolságra. A golyó torkolati sebessége 825 m/s, ami sokkal nagyobb, mint a levegőben a hangsebesség. Ezért annak, aki lövés hangját vagy golyó sípját hallja, nem kell aggódnia: ez a golyó már elhaladt mellette. A golyó túlszárnyalja a lövés hangját, és a hang megérkezése előtt eléri áldozatát.

A gázokban a hangsebesség a közeg hőmérsékletétől függ: a levegő hőmérsékletének növekedésével növekszik, csökkenésével pedig csökken. 0 °C-on a hangsebesség levegőben 332 m/s.

A hang különböző gázokban eltérő sebességgel terjed. Minél nagyobb a gázmolekulák tömege, annál kisebb a hangsebesség benne. Tehát 0 ° C hőmérsékleten a hang sebessége hidrogénben 1284 m/s, héliumban - 965 m/s, oxigénben - 316 m/s.

A hangsebesség folyadékokban általában nagyobb, mint a gázok hangsebessége. A hangsebességet vízben először J. Colladon és J. Sturm mérték meg 1826-ban. Kísérleteiket a svájci Genfi-tónál végezték. Az egyik csónakon lőport gyújtottak, és egyúttal megütöttek egy vízbe eresztett harangot. Ennek a vízbe engedett csengőnek a hangját egy másik hajón fogták meg, amely 14 km-re volt az elsőtől. A vízben a hang sebességét a fényjelzés felvillanása és a hangjelzés érkezése közötti időintervallumból határoztuk meg. 8°C-os hőmérsékleten 1440 m/s-nak bizonyult.

A hangsebesség szilárd anyagokban nagyobb, mint folyadékokban és gázokban. Ha a fülét a sínre helyezi, akkor a sín másik végének eltalálása után két hang hallható. Egyikük eléri a fület a sín mentén, a másik - a levegőn keresztül.

A Földnek jó a hangvezető képessége. Ezért a régi időkben ostrom idején „hallókat” helyeztek az erődfalakba, akik a föld által közvetített hang alapján meg tudták állapítani, hogy az ellenség a falakig ásott-e vagy sem. Fülüket a földhöz téve figyelték az ellenséges lovasság közeledését is.

A szilárd testek jól vezetik a hangot. Emiatt a hallásvesztést szenvedett emberek néha olyan zenére tudnak táncolni, amely nem a levegőn és a külső fülön keresztül, hanem a padlón és a csontokon keresztül jut el a hallóidegekhez.

A hangsebesség a rezgés hullámhosszának és frekvenciájának (vagy periódusának) ismeretében határozható meg.

Hangsebesség- a rugalmas hullámok terjedési sebessége közegben: hosszanti (gázokban, folyadékokban vagy szilárd anyagokban) és keresztirányú, nyírási (szilárd anyagokban). A közeg rugalmassága és sűrűsége határozza meg: általában a hangsebesség gázokban kisebb, mint folyadékokban, folyadékokban pedig kisebb, mint szilárd anyagokban. Ezenkívül gázokban a hang sebessége az adott anyag hőmérsékletétől, az egykristályokban - a hullámterjedés irányától függ. Általában nem függ a hullám frekvenciájától és amplitúdójától; Azokban az esetekben, amikor a hang sebessége a frekvenciától függ, a hang szóródásáról beszélünk.

Enciklopédiai YouTube

• 1 / 5

  Már az ókori szerzők körében is van arra utaló jel, hogy a hang a test oszcilláló mozgásának köszönhető (Ptolemaiosz, Eukleidész). Arisztotelész megjegyzi, hogy a hangsebességnek véges nagysága van, és helyesen képzeli el a hang természetét. A hangsebesség kísérleti meghatározására tett kísérletek a 17. század első felére nyúlnak vissza. F. Bacon a "New Organon" című művében rámutatott a hangsebesség meghatározásának lehetőségére a fényvillanás és a lövés hangja közötti időintervallumok összehasonlításával. Ezzel a módszerrel különböző kutatók (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, a Párizsi Tudományos Akadémia tudósainak csoportja - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Römer) meghatározták a hangsebesség értékét. (a kísérleti körülményektől függően 350-390 m/s). Elméletileg a hangsebesség kérdésével először I. Newton foglalkozott "Elvek" című művében. Newton valójában a hang izoterm terjedését feltételezte, ezért alulbecsülte. A hangsebesség helyes elméleti értékét Laplace szerezte meg.

  Sebesség számítása folyadékban és gázban

  A hangsebesség homogén folyadékban (vagy gázban) a következő képlettel számítható ki:

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

  Részleges származékokban:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\)) részleges p)(\részleges v))\jobb)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (Cp)(Cv))\left((\frac (\partial p)) (\részleges v))\jobbra)_(T))))

  ahol β (\displaystyle \beta )- a közeg adiabatikus összenyomhatósága; ρ (\displaystyle \rho )- sűrűség; Cp (\displaystyle Cp)- izobár hőkapacitás; c v (\displaystyle cv)- izokhorikus hőkapacitás; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- a közeg nyomása, fajlagos térfogata és hőmérséklete; s (\displaystyle s)- a környezet entrópiája.

  Oldatok és más összetett fizikai és kémiai rendszerek (például földgáz, olaj) esetén ezek a kifejezések nagyon nagy hibát adhatnak.

  Szilárd anyagok

  Interfészek jelenlétében a rugalmas energia különböző típusú felületi hullámokon keresztül vihető át, amelyek sebessége eltér a hosszanti és keresztirányú hullámok sebességétől. Ezen rezgések energiája sokszorosa lehet az ömlesztett hullámok energiájának.