Știm că sunetul călătorește prin aer. De aceea putem auzi. Niciun sunet nu poate exista în vid. Dar dacă sunetul este transmis prin aer, datorită interacțiunii particulelor sale, nu va fi transmis prin alte substanțe? Va fi.

Propagarea și viteza sunetului în diferite medii

Sunetul nu este transmis doar prin aer. Probabil că toată lumea știe că dacă pui urechea la perete, poți auzi conversații în camera alăturată. În acest caz, sunetul este transmis de perete. Sunetele se propagă în apă și în alte medii. Mai mult, propagarea sunetului în diferite medii are loc în moduri diferite. Viteza sunetului variază in functie de substanta.

În mod curios, viteza de propagare a sunetului în apă este de aproape patru ori mai mare decât în ​​aer. Adică peștii aud „mai repede” decât noi. În metale și sticlă, sunetul circulă și mai repede. Acest lucru se datorează faptului că sunetul este o vibrație a mediului, iar undele sonore se deplasează mai repede în medii cu o conductivitate mai bună.

Densitatea și conductivitatea apei este mai mare decât cea a aerului, dar mai mică decât cea a metalului. În consecință, sunetul este transmis diferit. Când treceți de la un mediu la altul, viteza sunetului se schimbă.

Lungimea undei sonore se modifică, de asemenea, pe măsură ce trece de la un mediu la altul. Doar frecvența sa rămâne aceeași. Dar de aceea putem distinge cine vorbește în mod specific chiar și prin pereți.

Deoarece sunetul este vibrații, toate legile și formulele pentru vibrații și unde sunt bine aplicabile vibrațiilor sonore. Când se calculează viteza sunetului în aer, ar trebui să se țină seama și de faptul că această viteză depinde de temperatura aerului. Pe măsură ce temperatura crește, viteza de propagare a sunetului crește. În condiții normale, viteza sunetului în aer este de 340.344 m/s.

unde sonore

Undele sonore, așa cum se știe din fizică, se propagă în medii elastice. De aceea sunetele sunt bine transmise de pământ. Punând urechea la pământ, se aude de departe zgomotul pașilor, zgomotul copitelor și așa mai departe.

În copilărie, toată lumea trebuie să se fi distrat punând urechea la șine. Sunetul roților trenului este transmis de-a lungul șinelor pe câțiva kilometri. Pentru a crea efectul invers al absorbției sunetului, se folosesc materiale moi și poroase.

De exemplu, pentru a proteja împotriva sunete străine orice incapere, sau, dimpotriva, pentru a preveni scaparea sunetelor din incapere in exterior, camera este tratata, izolata fonic. Peretii, podeaua si tavanul sunt tapitate cu materiale speciale pe baza de polimeri spumati. Într-o astfel de tapițerie, toate sunetele se atenuează foarte repede.

Majoritatea oamenilor sunt foarte conștienți de ce este sunetul. Este asociat cu auzul și este asociat cu procese fiziologice și psihologice. În creier, se realizează procesarea senzațiilor care vin prin organele auditive. Viteza sunetului depinde de mulți factori.

Sunete pe care oamenii le aud

În sensul general al cuvântului, sunetul este fenomen fizic, care provoacă un efect asupra organelor auzului. Are forma undelor longitudinale de diferite frecvențe. Oamenii pot auzi sunetul a cărui frecvență variază între 16 și 20.000 Hz. Aceste unde longitudinale elastice, care se propagă nu numai în aer, ci și în alte medii, ajungând la urechea umană, provoacă senzații sonore. Oamenii nu pot auzi totul. Undele elastice cu o frecvență mai mică de 16 Hz se numesc infrasunete, iar peste 20.000 Hz - ultrasunete. Urechea lor umană nu poate auzi.

Caracteristicile sunetului

Există două caracteristici principale ale sunetului: volumul și înălțimea. Prima dintre ele este legată de intensitatea undei sonore elastice. Există un alt indicator important. Cantitate fizica, care caracterizează înălțimea, este frecvența de oscilație a undei elastice. În acest caz, se aplică o singură regulă: cu cât este mai mare, cu atât sunetul este mai ridicat și invers. O altă caracteristică importantă este viteza sunetului. LA medii diferite ea este diferită. Reprezintă viteza de propagare a elasticului unde sonore. Într-un mediu gazos, acest indicator va fi mai mic decât în ​​lichide. Viteza sunetului în solide cel mai inalt. Mai mult, pentru undele longitudinale este întotdeauna mai mare decât pentru cele transversale.

Viteza undei sonore

Acest indicator depinde de densitatea mediului și de elasticitatea acestuia. În mediile gazoase, este afectată de temperatura substanței. De regulă, viteza sunetului nu depinde de amplitudinea și frecvența undei. În cazuri rare, când aceste caracteristici au influență, se vorbește despre așa-numita dispersie. Viteza sunetului în vapori sau gaze variază între 150-1000 m/s. În mediile lichide, este deja 750-2000 m/s, iar în materiale solide - 2000-6500 m/s. În condiții normale, viteza sunetului în aer atinge 331 m/s. LA apă plată- 1500 m/s.

Viteza undelor sonore în diferite medii chimice

Viteza de propagare a sunetului în diferite medii chimice nu este aceeași. Deci, în azot este de 334 m / s, în aer - 331, în acetilenă - 327, în amoniac - 415, în hidrogen - 1284, în metan - 430, în oxigen - 316, în heliu - 965, în monoxid de carbon- 338, în acid carbonic - 259, în clor - 206 m/s. Viteza unei unde sonore în mediile gazoase crește odată cu creșterea temperaturii (T) și a presiunii. În lichide, cel mai adesea scade odată cu creșterea T cu câțiva metri pe secundă. Viteza sunetului (m/s) în medii lichide (la 20°C):

Apa - 1490;

Alcool etilic - 1180;

Benzen - 1324;

Mercur - 1453;

tetraclorura de carbon - 920;

Glicerina - 1923.

Singura excepție de la regula de mai sus este apa, în care viteza sunetului crește odată cu creșterea temperaturii. Acesta atinge maximul atunci când acest lichid este încălzit la 74°C. Pe măsură ce temperatura crește și mai mult, viteza sunetului scade. Cu o creștere a presiunii, aceasta va crește cu 0,01% / 1 Atm. în sărat apa de mare pe măsură ce temperatura, adâncimea și salinitatea cresc, la fel crește viteza sunetului. În alte medii, acest indicator variază în moduri diferite. Deci, într-un amestec de lichid și gaz, viteza sunetului depinde de concentrația componentelor sale. Într-un solid izotopic, acesta este determinat de densitatea și modulele elastice ale acestuia. Undele elastice transversale (de forfecare) și longitudinale se propagă în medii dense nelimitate. Viteza sunetului (m/s) in solide(undă longitudinală / transversală):

Sticla - 3460-4800/2380-2560;

Cuarț topit - 5970/3762;

Beton - 4200-5300/1100-1121;

Zinc - 4170-4200/2440;

Teflon - 1340/*;

Fier de calcat - 5835-5950/*;

Aur - 3200-3240/1200;

Aluminiu - 6320/3190;

Argint - 3660-3700/1600-1690;

Alama - 4600/2080;

Nichel - 5630/2960.

La feromagneți, viteza unei unde sonore depinde de intensitatea câmpului magnetic. În monocristalele, viteza unei unde sonore (m/s) depinde de direcția de propagare a acesteia:

• rubin (undă longitudinală) - 11240;
• sulfura de cadmiu (longitudinal / transversal) - 3580/4500;
• niobat de litiu (longitudinal) - 7330.

Viteza sunetului în vid este 0, deoarece pur și simplu nu se propagă într-un astfel de mediu.

Determinarea vitezei sunetului

Tot ce ține de semnalele sonore i-a interesat pe strămoșii noștri cu mii de ani în urmă. Aproape toți oamenii de știință de seamă au lucrat la definirea esenței acestui fenomen. lumea antica. Chiar și matematicienii antici au descoperit că sunetul este cauzat de mișcări oscilatorii corp. Euclid și Ptolemeu au scris despre asta. Aristotel a stabilit că viteza sunetului diferă printr-o valoare finită. Primele încercări de a determina acest indicator au fost făcute de F. Bacon în secolul al XVII-lea. A încercat să stabilească viteza comparând intervalele de timp dintre sunetul unei împușcături și un fulger de lumină. Pe baza acestei metode, un grup de fizicieni de la Academia de Științe din Paris a determinat pentru prima dată viteza unei unde sonore. LA diverse conditii experiment, a fost 350-390 m/s. Justificare teoretică viteza sunetului pentru prima dată în „Principiile” sale a fost considerată de I. Newton. P.S. a reusit sa faca determinarea corecta a acestui indicator. Laplace.

Formule pentru viteza sunetului

Pentru mediile gazoase și lichide, în care sunetul se propagă, de regulă, adiabatic, modificarea temperaturii asociată cu expansiunile și compresiile într-o undă longitudinală nu se poate egaliza rapid într-o perioadă scurtă de timp. Evident, această cifră este influențată de mai mulți factori. Viteza unei unde sonore într-un mediu gazos omogen sau lichid este determinată de următoarea formulă:

unde β este compresibilitatea adiabatică, ρ este densitatea mediului.

În derivatele parțiale, această valoare se calculează după următoarea formulă:

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

unde ρ, T, υ sunt presiunea mediului, temperatura acestuia și volumul specific; S - entropie; Cp - capacitate termică izobară; Cυ - capacitate termică izocoră. Pentru mediile gazoase, această formulă va arăta astfel:

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

unde ζ este valoarea adiabatică: 4/3 pentru gazele poliatomice, 5/3 pentru gazele monoatomice, 7/5 pentru gazele diatomice (aer); R - constanta de gaz (universal); T este temperatura absolută, măsurată în kelvin; k - constanta lui Boltzmann; t - temperatura în °C; M- Masă molară; m- masa moleculara; ά 2 = ζR/M.

Determinarea vitezei sunetului într-un corp solid

Într-un corp solid cu omogenitate, există două tipuri de unde care diferă în polarizarea oscilațiilor în raport cu direcția de propagare a acestora: transversale (S) și longitudinale (P). Viteza primului (C S) va fi întotdeauna mai mică decât a celui de-al doilea (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,

unde K, E, G - module de compresie, Young, forfecare; v - raportul lui Poisson. Când se calculează viteza sunetului într-un corp solid, se folosesc module adiabatici de elasticitate.

Viteza sunetului în mediile multifazate

În mediile multifazice, datorită absorbției inelastice a energiei, viteza sunetului este direct dependentă de frecvența vibrațiilor. Într-un mediu poros în două faze, se calculează folosind ecuațiile Biot-Nikolaevsky.

Concluzie

Măsurarea vitezei undelor sonore este utilizată în determinarea diferitelor proprietăți ale substanțelor, cum ar fi modulele de elasticitate a unui solid, compresibilitatea lichidelor și gazelor. O metodă sensibilă pentru determinarea impurităților este măsurarea micilor modificări ale vitezei undei sonore. La solide, fluctuația acestui indice face posibilă studierea structurii benzilor semiconductorilor. Viteza sunetului este o cantitate foarte importantă, măsurarea căreia vă permite să aflați multe despre o varietate de medii, corpuri și alte obiecte. cercetare științifică. Fără capacitatea de a-l determina, multe descoperiri științifice ar fi imposibile.

1.25. 3 UNDE SONICE

Conceptul de undă sonoră. Viteza sunetului în diverse medii. Caracteristicile fizice ale sunetului: intensitatea, spectrul, înălțime, zgomot, atenuare. Ultrasunetele și aplicațiile sale. Efectul Doppler. unde de soc.

Unde sonore.

Un tip important de unde longitudinale sunt unde sonore . Acesta este numele undelor cu frecvențe de 17 - 20.000 Hz. Studiul sunetului se numește acustică. În acustică, sunt studiate undele care se propagă nu numai în aer, ci și în orice alt mediu. Undele elastice cu o frecvență sub 17 Hz se numesc infrasunete, iar cele cu o frecvență peste 20.000 Hz se numesc ultrasunete.

Undele sonore sunt vibrații elastice care se propagă sub forma unui proces ondulatoriu în gaze, lichide, solide.

Presiune acustică excesivă. Ecuația undei sonore.

Ecuația undei elastice vă permite să calculați deplasarea oricărui punct din spațiul prin care trece valul, în orice moment. Dar cum să vorbim despre deplasarea particulelor de aer sau lichid din poziția de echilibru? Sunetul, propagăndu-se într-un lichid sau gaz, creează zone de compresie și rarefacție ale mediului, în care presiunea crește sau respectiv scade față de presiunea mediului neperturbat.

Dacă este presiunea și densitatea mediului neperturbat (mediul prin care unda nu trece) și este presiunea și densitatea mediului în timpul propagării procesului undei în acesta, atunci cantitatea se numește suprapresiune . Valoare există o valoare maximă a suprapresiunii (amplitudinea suprapresiunii ).

Modificarea presiunii în exces pentru o undă sonoră plană (adică ecuația undei sonore plane) este:

unde y este distanța de la sursa de oscilații a punctului, excesul de presiune în care determinăm în momentul t.

Dacă introducem valoarea densității în exces și amplitudinea acesteia în același mod în care am introdus valoarea presiunii sonore în exces, atunci ecuația unei unde sonore plane s-ar putea scrie după cum urmează:

. (30.2)

Viteza sunetului- viteza de propagare a undelor sonore în mediu. De regulă, viteza sunetului în gaze este mai mică decât în ​​lichide, iar în lichide viteza sunetului este mai mică decât în ​​solide. Cu cât densitatea este mai mare, cu atât viteza sunetului este mai mare. Viteza sunetului în orice mediu este calculată prin formula: unde β este compresibilitatea adiabatică a mediului; ρ este densitatea.

Caracteristicile obiective și subiective ale sunetului.

Cuvântul „sunet” însuși reflectă două concepte diferite, dar înrudite: 1) sunetul ca fenomen fizic; 2) sunet - percepția pe care o experimentează aparatul auditiv (urechea umană) și senzațiile care decurg din acesta. În consecință, caracteristicile sunetului sunt împărțite în obiectiv , care poate fi măsurat prin echipamente fizice și Cusubiectiv , determinat de perceperea unui sunet dat de către o persoană.

Caracteristicile obiective (fizice) ale sunetului includ caracteristici care descriu orice proces de undă: frecvență, intensitate și compoziție spectrală. În tabelul 1. sunt incluse date comparative ale caracteristicilor obiective și subiective.

Tabelul 1.

frecvența sunetului se măsoară prin numărul de oscilații ale particulelor mediului care participă la procesul undei în 1 secundă.

Intensitate unda este măsurată prin energia transportată de undă pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață (situată perpendicular pe direcția de propagare a undei).

Compoziția spectrală (spectrul) sunetul indică în ce vibrații constă acest sunet și cum sunt distribuite amplitudinile între componentele sale individuale.

Distinge spectre continue și linie . Pentru o evaluare subiectivă a sonorității, cantitățile numite nivelul sunetului și nivelul zgomotului .

Tabelul 2 - Caracteristicile obiective ale proceselor cu undă mecanică.

Pentru a caracteriza cantitățile care determină percepția sunetului, nu sunt semnificative atât valorile absolute ale intensității sonore și ale presiunii sonore, cât relația lor cu anumite valori de prag. Prin urmare, sunt introduse conceptele de niveluri relative de intensitate și presiune sonoră.

Pentru ca o undă sonoră să fie percepută de ureche, este necesar ca intensitatea acesteia să depășească valoarea minimă, numită Ptare de auz . Valoarea este diferită pentru diferite frecvențe. Pentru o frecvență, pragul de auz este de ordinul mărimii. Din experiență s-a stabilit că la fiecare frecvență există o limită superioară a puterii sunetului, atunci când este depășită, o persoană simte durere. Valoarea este numită pragul durerii.

Nivel de intensitate (nivelul intensității sunetului) este egal cu logaritmul zecimal al raportului dintre intensitatea sunetului la o anumită frecvență și intensitatea sunetului la aceeași frecvență la pragul de auz:

.

Volumul sunetului - percepția subiectivă a puterii sunetului (valoarea absolută a senzației auditive). Nivelul sonor depinde în principal de presiunea sonoră și de frecvența vibrațiilor sonore. De asemenea, volumul sunetului este afectat de timbrul acestuia, de durata expunerii la vibrațiile sonore și de alți factori. Nivelul volumului este egal cu logaritmul zecimal al raportului dintre intensitatea sunetului la o anumită frecvență și intensitatea sunetului la o frecvență de 1000 Hz la pragul de auz:

.

Unitatea de măsură a nivelului de intensitate este bel (B): . O zecime de bela se numește decibel (dB): 0,1B = 1dB. Formula pentru determinarea nivelului de intensitate în decibeli va lua forma:

.

Dacă scriem formula pentru nivelul volumului în formular , atunci unitatea de măsură în SI cu această definiție a mărimii este unitatea numită fond. La o frecvență de 1000 Hz, scările de zumzet și decibeli sunt aceleași, pentru alte frecvențe sunt diferite.

Nivelul de presiune al sunetului este egal cu produsul de 20 de ori logaritmul raportului dintre presiunea sonoră la o frecvență dată și presiunea sonoră la pragul auzului. Unitatea de măsură în acest caz este decibelul.

.

Ecografie: Undele mecanice cu o frecvență de oscilație mai mare de 20.000 Hz nu sunt percepute de o persoană ca sunet.

Ultrasunetele este o mișcare oscilativă care se propagă sub formă de undă a particulelor mediului și este caracterizată printr-un număr de trăsături distinctive comparativ cu domeniul audibil. În intervalul de frecvență ultrasonică, este relativ ușor să obțineți radiații direcționale; vibrațiile ultrasonice se pretează bine la focalizare, drept urmare intensitatea vibrațiilor ultrasonice în anumite zone de influență crește. Atunci când se propagă în gaze, lichide și solide, ultrasunetele generează fenomene unice, multe dintre ele și-au găsit aplicații practice în diverse domenii ale științei și tehnologiei. Au trecut puțin mai mult de o sută de ani de la începutul cercetărilor în domeniul aplicării vibrațiilor ultrasonice. În acest timp, zeci de tehnologii cu ultrasunete extrem de eficiente, care economisesc resursele și ecologice au apărut în atuul omenirii. Acestea includ: tehnologii de călire, cositorire și lipire a metalelor, prevenirea formării depunerilor pe suprafețele schimbătoare de căldură, găurirea materialelor casante și mai ales dure, uscarea substanțelor termolabile, extracția materiilor prime animale și vegetale, dizolvarea, sterilizarea substanțelor lichide, pulverizarea fină a medicamentelor, combustibililor grei, producerea de emulsii și suspensii ultrafine, dispersie de coloranți, sudarea metalelorși polimeri, spălarea, curățarea pieselor fără utilizarea solvenților inflamabili și toxici.

În ultimii ani, ultrasunetele au început să joace un rol din ce în ce mai important în industrie și cercetare. Au fost realizate cu succes studii teoretice și experimentale în domeniul cavitației ultrasonice și al fluxurilor acustice, ceea ce a făcut posibilă dezvoltarea unor noi procese tehnologice care apar sub acțiunea ultrasunetelor în fază lichidă. În prezent, se formează o nouă direcție în chimie - chimia ultrasonică, care face posibilă accelerarea multor procese chimice și tehnologice și obținerea de noi substanțe. Cercetările științifice au contribuit la apariția unei noi secțiuni de acustică - acustica moleculară, care studiază interacțiunea moleculară a undelor sonore cu materia. Au apărut noi domenii de aplicare a ultrasunetelor: introscopia, holografia, acustica cuantică, măsurarea fazei ultrasonice, acustoelectronica.

Alături de cercetările teoretice și experimentale în domeniul ultrasunetelor, s-au făcut o mulțime de lucrări practice. Au fost dezvoltate mașini cu ultrasunete universale și speciale, instalații care funcționează la presiune statică crescută, instalații mecanizate cu ultrasunete pentru curățarea pieselor, generatoare cu frecvență crescută și un nou sistem de răcire și convertoare cu câmp uniform distribuit.

Un ecosonda este un dispozitiv pentru determinarea adâncimii mării. Un localizator cu ultrasunete este utilizat pentru a determina distanța până la un obstacol de pe drum. Când ultrasunetele trece printr-un lichid, particulele de lichid capătă accelerații mari și afectează puternic diferitele corpuri plasate în lichid. Acesta este utilizat pentru a accelera o mare varietate de procese tehnologice (de exemplu, prepararea soluțiilor, spălarea pieselor, tăbăcirea pielii etc.). Ultrasunetele sunt folosite pentru a detecta defectele pieselor metalice.În medicină se efectuează examinarea cu ultrasunete a organelor interne.

efectul Doppler numită modificarea frecvenței oscilațiilor percepute de receptor, atunci când sursa acestor oscilații și receptorul se mișcă unul față de celălalt.

Pentru a lua în considerare efectul Doppler, să presupunem că sursa de sunet și receptorul se deplasează de-a lungul liniei drepte care le conectează; v stau v pr - respectiv, viteza de mișcare a sursei și a receptorului, iar acestea sunt pozitive dacă sursa (receptorul) se apropie de receptor (sursă), și negative dacă acesta se îndepărtează. Frecvența de oscilație a sursei este v 0 .

1. Sursa și receptorul sunt în repaus în raport cu mediul, adică v ist = v pr \u003d 0. În cazul în care un v - viteza de propagare a unei unde sonore în mediul luat în considerare, apoi lungimea de undă l= vT= v/ v 0 . Propagându-se în mediu, unda va ajunge la receptor și va provoca oscilații ale elementului său sensibil la sunet cu o frecvență

Prin urmare, frecvența v sunetul pe care îl va înregistra receptorul este egal cu frecvența v 0 , cu care unda sonoră este emisă de sursă.

2. Receptorul se apropie de sursă, iar sursa este în repaus, adică v pr >0, v este =0. În acest caz, viteza de propagare a undei în raport cu receptorul va fi egală cu v + v etc. Din moment ce lungimea de undă nu se modifică, atunci

(30.4)

adică frecvența oscilațiilor percepute de receptor, în ( v+ v etc) / v ori mai mare decât frecvența sursei.

3. Sursa se apropie de succesor, iar receptorul este în repaus, adică v este >0, v pr \u003d 0.

Viteza de propagare a oscilațiilor depinde doar de proprietățile mediului, prin urmare, într-un timp egal cu perioada de oscilații a sursei, unda emisă de acesta se va deplasa în direcția distanței receptorului. vT(egal cu lungimea de undă l) indiferent dacă sursa este în mișcare sau în repaus. În același timp, sursa va acoperi distanța în direcția undei v ist T(Fig. 224), adică lungimea de undă în direcția de mișcare va fi redusă și va deveni egală cu l"=l-v ist T=(v-v este) T, apoi

(30.5)

adică frecvența n vibratiile percepute de receptor vor creste in v/(v – v ist) ori. În cazurile 2 și 3, dacă v ist<0 и v etc<0, знак будет обратным.

4. Sursa și receptorul se mișcă unul față de celălalt. Folosind rezultatele obținute pentru cazurile 2 și 3, putem scrie o expresie pentru frecvența oscilațiilor percepute de receptor:

(30.6)

mai mult, semnul superior este luat dacă în timpul deplasării sursei sau receptorului se apropie unul de celălalt, semnul inferior - în cazul înlăturării lor reciproce.

Din formulele de mai sus rezultă că efectul Doppler este diferit în funcție de dacă sursa sau receptorul se mișcă. Dacă direcţiile vitezelor v la v Acestea nu coincid cu linia dreaptă care trece prin sursă și receptor, atunci în locul acestor viteze din formula (30.6) trebuie să luăm proiecțiile lor pe direcția acestei drepte.

unda de soc: suprafață de discontinuitate care se mișcă în raport cu corpurile gaz/lichid/solid și la traversarea cărei presiune, densitate,

temperatura și viteza experimentează un salt.

Undele de șoc apar în timpul exploziilor, detonațiilor, în timpul mișcărilor supersonice ale corpurilor, cu electrice puternice. descărcări etc. De exemplu, în timpul exploziei explozivilor, se formează produse de explozie foarte încălzite, care au o densitate mare și sunt sub presiune mare. Inițial, sunt înconjurate de aer în repaus la densitate și presiune atmosferică normale. Produsele de expansiune ale exploziei comprimă aerul din jur, iar în fiecare moment este comprimat doar aerul dintr-un anumit volum; în afara acestui volum, aerul rămâne netulburat. În timp, volumul de aer comprimat crește. Suprafața care separă aerul comprimat de aerul netulburat este partea frontală a undei de șoc. Într-un număr de cazuri de mișcare supersonică a corpurilor într-un gaz (obuze de artilerie, vehicule spațiale de coborâre), direcția mișcării gazului nu coincide cu normala la suprafața frontului undei de șoc și apoi apar unde de șoc oblice. .

Un exemplu de apariție și propagare a undei de șoc este comprimarea unui gaz într-o țeavă de către un piston. Dacă pistonul se mișcă lent în gaz, atunci prin gaz cu viteza sunetului A rulează acustic. undă de compresie (elastică). Dacă viteza pistonului nu este mică în comparație cu viteza sunetului, apare o undă de șoc, a cărei viteză se propagă prin gazul neperturbat este mai mare decât viteza de mișcare a particulelor de gaz (așa-numita viteză a masei), care coincide cu viteza pistonului. Distanțele dintre particule într-o undă de șoc sunt mai mici decât în ​​cazul unui gaz neperturbat datorită comprimării gazului. Dacă pistonul este mai întâi împins în gaz cu o viteză mică și accelerat treptat, atunci unda de șoc nu se formează imediat. În primul rând, apare o undă de compresie cu distribuții continue ale densității r și ale presiunii R. De-a lungul timpului, abruptul părții frontale a undei de compresie crește, deoarece perturbațiile de la pistonul care se mișcă rapid îl prind din urmă și îl intensifică, în urma căruia există un salt brusc în toată hidrodinamica. cantități, adică undă de șoc

Undă de șoc în gaze reale. Într-un gaz real, la temperaturi ridicate, au loc excitarea vibrațiilor moleculare, disocierea moleculelor, reacții chimice, ionizare etc., ceea ce este asociat cu costurile energetice și cu o modificare a numărului de particule. În acest caz, energia internă e depinde într-un mod complicat de pși ρ și parametrii de gaz în spatele față.

Pentru a redistribui energia unui gaz comprimat și încălzit într-o undă de șoc puternică pe diferite grade de libertate, de obicei sunt necesare o mulțime de ciocniri moleculare. Prin urmare, lățimea stratului Dx, în care are loc trecerea de la starea inițială la cea finală de echilibru termodinamic, adică lățimea frontului undei de șoc, în gazele reale este de obicei mult mai mare decât lățimea șocului vâscos și este determinat de timp relaxare cel mai lent dintre procese: excitaţie de oscilaţii, disociere, ionizare etc. Distribuţii

Orez. 25.1 Distribuția temperaturii (a) și a densității (b) într-o undă de șoc care se propagă într-un gaz real .

temperatura și densitatea în unda de șoc au în acest caz forma prezentată în Fig. 25.1 unde un șoc vâscos este descris ca o explozie.

Undă de șoc în solide. Energia și presiunea în solide au o natură dublă: sunt asociate cu mișcarea termică și cu interacțiunea particulelor (componente termice și elastice). Teoria forțelor interparticule nu poate oferi o dependență generală a componentelor elastice ale presiunii și energiei de densitate într-un interval larg pentru diferite substanțe și, prin urmare, este teoretic imposibil să se construiască o funcție care conectează ( p,ρ) înainte și în spatele frontului undei de șoc. Prin urmare, calculele pentru corpurile solide (și lichide) sunt determinate din experiență sau semiempiric. Comprimarea semnificativă a solidelor necesită presiuni de milioane de atmosfere, care sunt acum realizate în studii experimentale. În practică, undele de șoc slabe cu presiuni de 10 4 -10 5 atm sunt de mare importanță. Acestea sunt presiuni care se dezvoltă în timpul detonării, exploziile în apă, impactul produselor de explozie împotriva obstacolelor etc. Într-o serie de substanțe - fier, bismut și altele, tranzițiile de fază - transformări polimorfe - au loc într-o undă de șoc. La presiuni scăzute în solide, unde elastice , a cărui propagare, ca și propagarea undelor slabe de compresie în gaze, poate fi considerată pe baza legilor acusticii.

Propagarea sunetului necesită un mediu elastic. Undele sonore nu se pot propaga în vid, deoarece nu există nimic care să vibreze acolo. Acest lucru poate fi verificat printr-un experiment simplu. Dacă un clopot electric este plasat sub un clopot de sticlă, atunci pe măsură ce aerul este pompat de sub clopot, sunetul de la clopot va deveni din ce în ce mai slab până când se oprește cu totul.

Se știe că în timpul unei furtuni vedem un fulger și abia după un timp auzim tunete. Această întârziere apare din cauza faptului că viteza sunetului în aer este mult mai mică decât viteza luminii care vine de la fulger.

Viteza sunetului în aer a fost măsurată pentru prima dată în 1636 de omul de știință francez M. Mersen. La o temperatură de 20 ° C, este egală cu 343 m / s, adică 1235 km / h. Rețineți că la această valoare viteza unui glonț tras de la o pușcă de asalt Kalashnikov scade la o distanță de 800 m. Viteza la foc a glonțului este de 825 m/s, ceea ce este mult mai mare decât viteza sunetului în aer. Prin urmare, o persoană care aude sunetul unei împușcături sau fluierul unui glonț nu trebuie să-și facă griji: acest glonț a trecut deja pe lângă el. Glonțul depășește sunetul împușcăturii și ajunge la victimă înainte de a sosi sunetul.

Viteza sunetului în gaze depinde de temperatura mediului: odată cu creșterea temperaturii aerului, acesta crește, iar odată cu scăderea, scade. La 0 °C, viteza sunetului în aer este de 332 m/s.

Sunetul se deplasează cu viteze diferite în diferite gaze. Cu cât masa moleculelor de gaz este mai mare, cu atât viteza sunetului este mai mică. Deci, la o temperatură de 0 ° C, viteza sunetului în hidrogen este de 1284 m/s, în heliu - 965 m/s, iar în oxigen - 316 m/s.

Viteza sunetului în lichide este în general mai mare decât viteza sunetului în gaze. Viteza sunetului în apă a fost măsurată pentru prima dată în 1826 de J. Colladon și J. Sturm. Ei și-au condus experimentele pe lacul Geneva din Elveția. Pe o barcă au dat foc prafului de pușcă și, în același timp, au lovit un clopot coborât în ​​apă. Sunetul acestui clopot, coborât în ​​apă, a fost surprins pe o altă barcă, care se afla la o distanță de 14 km de prima. Viteza sunetului în apă a fost determinată din intervalul de timp dintre clipirea semnalului luminos și sosirea semnalului sonor. La o temperatură de 8°C, s-a dovedit a fi 1440 m/s.

Viteza sunetului în solide este mai mare decât în ​​lichide și gaze. Dacă puneți urechea pe șină, atunci după ce ați lovit celălalt capăt al șinei, se aud două sunete. Unul dintre ei ajunge la ureche de-a lungul șinei, celălalt - prin aer.

Pământul are o bună conductivitate a sunetului. Așadar, pe vremuri, în timpul unui asediu, în zidurile cetății erau așezați „ascultători”, care, prin sunetul transmis de pământ, puteau stabili dacă inamicul sapa pe ziduri sau nu. Punendu-și urechea la pământ, urmăreau și apropierea cavaleriei inamice.

Corpurile solide conduc bine sunetul. Din această cauză, oamenii care și-au pierdut auzul sunt uneori capabili să danseze pe muzică care ajunge la nervii auditivi nu prin aer și urechea exterioară, ci prin podea și oase.

Viteza sunetului poate fi determinată prin cunoașterea lungimii de undă și a frecvenței (sau a perioadei) oscilației.

Viteza sunetului- viteza de propagare a undelor elastice într-un mediu: atât longitudinale (în gaze, lichide sau solide), cât și transversale, de forfecare (în solide). Este determinată de elasticitatea și densitatea mediului: de regulă, viteza sunetului în gaze este mai mică decât în ​​lichide, iar în lichide este mai mică decât în ​​solide. De asemenea, în gaze, viteza sunetului depinde de temperatura substanței date, în monocristale - de direcția de propagare a undei. De obicei nu depinde de frecvența undei și de amplitudinea acesteia; în cazurile în care viteza sunetului depinde de frecvență, se vorbește despre dispersia sunetului.

YouTube enciclopedic

• 1 / 5

  Deja printre autorii antici există un indiciu că sunetul se datorează mișcării oscilatorii a corpului (Ptolemeu, Euclid). Aristotel observă că viteza sunetului are o mărime finită și își imaginează corect natura sunetului. Încercările de a determina experimental viteza sunetului datează din prima jumătate a secolului al XVII-lea. F. Bacon în „New Organon” a subliniat posibilitatea de a determina viteza sunetului prin compararea intervalelor de timp dintre un fulger de lumină și sunetul unei împușcături. Folosind această metodă, diverși cercetători (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, un grup de oameni de știință de la Academia de Științe din Paris - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Römer) au determinat valoarea vitezei sunetului (în funcție de condițiile experimentale, 350- 390 m/s). Teoretic, problema vitezei sunetului a fost luată în considerare pentru prima dată de I. Newton în „Principiile” sale. Newton a presupus de fapt propagarea izotermă a sunetului, așa că a primit o subestimare. Valoarea teoretică corectă pentru viteza sunetului a fost obținută de Laplace.

  Calculul vitezei în lichid și gaz

  Viteza sunetului într-un lichid (sau gaz) omogen se calculează prin formula:

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

  În derivate parțiale:

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

  Unde β (\displaystyle \beta)- compresibilitatea adiabatică a mediului; ρ (\displaystyle \rho )- densitate; Cp (\displaystyle Cp)- capacitate termică izobară; c v (\displaystyle cv)- capacitate termică izocoră; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- presiunea, volumul specific si temperatura mediului; s (\displaystyle s)- entropia mediului.

  Pentru soluții și alte sisteme fizice și chimice complexe (de exemplu, gaze naturale, petrol), aceste expresii pot da o eroare foarte mare.

  Solide

  În prezența interfețelor, energia elastică poate fi transferată prin unde de suprafață de diferite tipuri, a căror viteză diferă de viteza undelor longitudinale și transversale. Energia acestor oscilații poate fi de multe ori mai mare decât energia undelor masive.