Vieme, že zvuk sa šíri vzduchom. Preto môžeme počuť. Vo vákuu nemôže existovať žiadny zvuk. Ale ak sa zvuk prenáša vzduchom, vďaka interakcii jeho častíc ho neprenášajú iné látky? Bude.

Šírenie a rýchlosť zvuku v rôznych médiách

Zvuk sa neprenáša len vzduchom. Asi každý vie, že ak priložíte ucho k stene, môžete počuť rozhovory vo vedľajšej miestnosti. V tomto prípade je zvuk prenášaný stenou. Zvuky sa šíria vo vode a v iných médiách. Navyše k šíreniu zvuku v rôznych prostrediach dochádza rôznymi spôsobmi. Rýchlosť zvuku je rôzna v závislosti od látky.

Je zvláštne, že rýchlosť šírenia zvuku vo vode je takmer štyrikrát vyššia ako vo vzduchu. To znamená, že ryby počujú „rýchlejšie“ ako my. V kovoch a skle sa zvuk šíri ešte rýchlejšie. Je to preto, že zvuk je vibráciou média a zvukové vlny sa šíria rýchlejšie v médiu s lepšou vodivosťou.

Hustota a vodivosť vody je väčšia ako u vzduchu, ale menšia ako u kovu. V súlade s tým sa zvuk prenáša inak. Pri prechode z jedného média na druhé sa rýchlosť zvuku mení.

Dĺžka zvukovej vlny sa tiež mení, keď prechádza z jedného média do druhého. Len jeho frekvencia zostáva rovnaká. Ale preto vieme rozlíšiť, kto konkrétne hovorí aj cez steny.

Keďže zvuk sú vibrácie, všetky zákony a vzorce pre vibrácie a vlny sú dobre aplikovateľné na zvukové vibrácie. Pri výpočte rýchlosti zvuku vo vzduchu je potrebné vziať do úvahy aj skutočnosť, že táto rýchlosť závisí od teploty vzduchu. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje rýchlosť šírenia zvuku. Za normálnych podmienok je rýchlosť zvuku vo vzduchu 340 344 m/s.

zvukové vlny

Zvukové vlny, ako je známe z fyziky, sa šíria v elastických médiách. Preto sú zvuky dobre prenášané zemou. Priložením ucha k zemi už z diaľky počujete kroky, dupot kopýt atď.

V detstve sa určite každý zabával priložením ucha ku koľajnici. Zvuk kolies vlaku sa prenáša po koľajniciach niekoľko kilometrov. Na vytvorenie opačného efektu absorpcie zvuku sa používajú mäkké a porézne materiály.

Napríklad na ochranu pred cudzie zvuky akejkoľvek miestnosti, alebo naopak, aby sa zabránilo úniku zvukov z miestnosti von, miestnosť je ošetrená, odhlučnená. Steny, podlaha a strop sú čalúnené špeciálnymi materiálmi na báze penových polymérov. V takomto čalúnení všetky zvuky veľmi rýchlo utíchnu.

Väčšina ľudí si dobre uvedomuje, čo je zvuk. Je spojená so sluchom a je spojená s fyziologickými a psychologickými procesmi. V mozgu sa uskutočňuje spracovanie vnemov, ktoré prichádzajú cez sluchové orgány. Rýchlosť zvuku závisí od mnohých faktorov.

Zvuky, ktoré ľudia počujú

Vo všeobecnom zmysle slova je zvuk fyzikálny jav, čo spôsobuje vplyv na sluchové orgány. Má formu pozdĺžnych vĺn rôznych frekvencií. Ľudia môžu počuť zvuk, ktorého frekvencia sa pohybuje od 16 do 20 000 Hz. Tieto elastické pozdĺžne vlny, ktoré sa šíria nielen vo vzduchu, ale aj v iných médiách, dosahujú ľudské ucho a spôsobujú zvukové vnemy. Ľudia nemôžu počuť všetko. Elastické vlny s frekvenciou menšou ako 16 Hz sa nazývajú infrazvuk a nad 20 000 Hz - ultrazvuk. Ich ľudské ucho nepočuje.

Zvukové vlastnosti

Existujú dve hlavné charakteristiky zvuku: hlasitosť a výška. Prvý z nich súvisí s intenzitou elastickej zvukovej vlny. Existuje ďalší dôležitý ukazovateľ. Fyzikálne množstvo, ktorá charakterizuje výšku, je frekvencia kmitov elastickej vlny. V tomto prípade platí jedno pravidlo: čím je väčší, tým je zvuk vyšší a naopak. Ďalšou dôležitou charakteristikou je rýchlosť zvuku. AT rôzne prostredia ona je iná. Predstavuje rýchlosť šírenia elastického materiálu zvukové vlny. V plynnom prostredí bude tento indikátor menší ako v kvapalinách. Rýchlosť zvuku v pevné látky najvyšší. Navyše, pre pozdĺžne vlny je vždy väčšia ako pre priečne vlny.

Rýchlosť zvukovej vlny

Tento indikátor závisí od hustoty média a jeho elasticity. V plynných médiách je ovplyvnená teplotou látky. Rýchlosť zvuku spravidla nezávisí od amplitúdy a frekvencie vlny. V zriedkavých prípadoch, keď majú tieto vlastnosti vplyv, sa hovorí o takzvanom rozptyle. Rýchlosť zvuku v parách alebo plynoch sa pohybuje od 150-1000 m/s. V kvapalných médiách je to už 750-2000 m/s a v pevných materiáloch - 2000-6500 m/s. Za normálnych podmienok dosahuje rýchlosť zvuku vo vzduchu 331 m/s. AT obyčajná voda- 1500 m/s.

Rýchlosť zvukových vĺn v rôznych chemických médiách

Rýchlosť šírenia zvuku v rôznych chemických prostrediach nie je rovnaká. Takže v dusíku je to 334 m / s, vo vzduchu - 331, v acetyléne - 327, v amoniaku - 415, vo vodíku - 1284, v metáne - 430, v kyslíku - 316, v héliu - 965, v oxid uhoľnatý- 338, v kyseline uhličitej - 259, v chlóre - 206 m/s. Rýchlosť zvukovej vlny v plynnom prostredí sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou (T) a tlakom. V kvapalinách najčastejšie klesá so zvýšením T o niekoľko metrov za sekundu. Rýchlosť zvuku (m/s) v kvapalnom médiu (pri 20°C):

Voda - 1490;

etylalkohol - 1180;

benzén - 1324;

Ortuť - 1453;

chlorid uhličitý - 920;

Glycerín - 1923.

Jedinou výnimkou z tohto pravidla je voda, v ktorej sa s rastúcou teplotou zvyšuje aj rýchlosť zvuku. Maximum dosiahne pri zahriatí tejto kvapaliny na 74°C. Ako teplota ďalej stúpa, rýchlosť zvuku klesá. So zvýšením tlaku sa zvýši o 0,01% / 1 Atm. v slanom morská voda so zvyšujúcou sa teplotou, hĺbkou a slanosťou sa zvyšuje aj rýchlosť zvuku. V iných prostrediach sa tento ukazovateľ líši rôznymi spôsobmi. Takže v zmesi kvapaliny a plynu závisí rýchlosť zvuku od koncentrácie jeho zložiek. V izotopickej pevnej látke je určená jej hustotou a modulmi pružnosti. Priečne (šmykové) a pozdĺžne elastické vlny sa šíria v neohraničených hustých médiách. Rýchlosť zvuku (m/s) pal pevné látky(pozdĺžna / priečna vlna):

Sklo - 3460-4800/2380-2560;

Tavený kremeň - 5970/3762;

Betón - 4200-5300/1100-1121;

Zinok - 4170-4200/2440;

teflón - 1340/*;

Železo - 5835-5950/*;

Zlato - 3200-3240/1200;

Hliník - 6320/3190;

Striebro - 3660-3700/1600-1690;

Mosadz - 4600/2080;

Nikel - 5630/2960.

Vo feromagnetikách závisí rýchlosť zvukovej vlny od sily magnetického poľa. V monokryštáloch závisí rýchlosť zvukovej vlny (m/s) od smeru jej šírenia:

• rubín (pozdĺžna vlna) - 11240;
• sulfid kademnatý (pozdĺžny / priečny) - 3580/4500;
• niobát lítny (pozdĺžny) - 7330.

Rýchlosť zvuku vo vákuu je 0, pretože v takomto prostredí sa jednoducho nešíri.

Určenie rýchlosti zvuku

Všetko, čo súvisí so zvukovými signálmi, zaujímalo našich predkov už pred tisíckami rokov. Na definícii podstaty tohto javu pracovali takmer všetci významní vedci. staroveký svet. Dokonca aj starí matematici zistili, že zvuk je spôsobený oscilačné pohyby telo. Písali o tom Euklides a Ptolemaios. Aristoteles zistil, že rýchlosť zvuku sa líši o konečnú hodnotu. Prvé pokusy o určenie tohto ukazovateľa uskutočnil F. Bacon v 17. storočí. Pokúsil sa určiť rýchlosť porovnaním časových intervalov medzi zvukom výstrelu a zábleskom svetla. Na základe tejto metódy skupina fyzikov z Parížskej akadémie vied prvýkrát určila rýchlosť zvukovej vlny. AT rôzne podmienky experimentu to bolo 350-390 m/s. Teoretické odôvodnenie rýchlosťou zvuku po prvý raz vo svojich „Princípoch“ uvažoval I. Newton. P.S. sa podarilo správne určiť tento ukazovateľ. Laplace.

Vzorce pre rýchlosť zvuku

Pre plynné médiá a kvapaliny, v ktorých sa zvuk šíri spravidla adiabaticky, sa teplotné zmeny spojené s expanziami a kompresiami v pozdĺžnej vlne nedokážu v krátkom čase rýchlo vyrovnať. Je zrejmé, že toto číslo je ovplyvnené viacerými faktormi. Rýchlosť zvukovej vlny v homogénnom plynnom médiu alebo kvapaline je určená nasledujúcim vzorcom:

kde β je adiabatická stlačiteľnosť, ρ je hustota média.

V parciálnych derivátoch sa táto hodnota vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

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

kde ρ, T, υ sú tlak média, jeho teplota a špecifický objem; S - entropia; Cp - izobarická tepelná kapacita; Cυ - izochorická tepelná kapacita. Pre plynné médiá bude tento vzorec vyzerať takto:

c2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά2T,

kde ζ je adiabatová hodnota: 4/3 pre viacatómové plyny, 5/3 pre jednoatómové plyny, 7/5 pre dvojatómové plyny (vzduch); R - plynová konštanta (univerzálna); T je absolútna teplota meraná v kelvinoch; k - Boltzmannova konštanta; t - teplota v °C; M- molárna hmota; m- molekulová hmotnosť; 62 = ZR/M.

Stanovenie rýchlosti zvuku v pevnom telese

V pevnom telese s homogenitou existujú dva typy vĺn, ktoré sa líšia polarizáciou kmitov vo vzťahu k smeru ich šírenia: priečne (S) a pozdĺžne (P). Rýchlosť prvého (C S) bude vždy nižšia ako druhého (CP):

CP2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1 - v)/(1 + v) (1-2v) p;

CS2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,

kde K, E, G - moduly kompresie, Young, šmyk; v - Poissonov pomer. Pri výpočte rýchlosti zvuku v pevnom telese sa používajú adiabatické moduly pružnosti.

Rýchlosť zvuku vo viacfázových médiách

Vo viacfázových médiách je v dôsledku nepružnej absorpcie energie rýchlosť zvuku priamo závislá od frekvencie vibrácií. V dvojfázovom poréznom médiu sa vypočíta pomocou Biot-Nikolaevského rovníc.

Záver

Meranie rýchlosti zvukovej vlny sa používa pri určovaní rôznych vlastností látok, ako sú moduly pružnosti tuhej látky, stlačiteľnosť kvapalín a plynov. Citlivou metódou na stanovenie nečistôt je meranie malých zmien rýchlosti zvukovej vlny. V tuhých látkach umožňuje kolísanie tohto indexu študovať pásovú štruktúru polovodičov. Rýchlosť zvuku je veľmi dôležitá veličina, ktorej meranie vám umožňuje dozvedieť sa veľa o najrôznejších médiách, telách a iných predmetoch. vedecký výskum. Bez schopnosti určiť ju by mnohé vedecké objavy boli nemožné.

1.25. 3 ZVUKOVÉ VLNY

Koncept zvukovej vlny. Rýchlosť zvuku v rôznych médiách. Fyzikálne vlastnosti zvuku: intenzita, spektrum, výška tónu, hlasitosť, útlm. Ultrazvuk a jeho aplikácie. Dopplerov efekt. rázové vlny.

Zvukové vlny.

Dôležitým typom pozdĺžnych vĺn sú zvukové vlny . Toto je názov vĺn s frekvenciami 17 - 20 000 Hz. Štúdium zvuku sa nazýva akustika. V akustike sa študujú vlny, ktoré sa šíria nielen vo vzduchu, ale aj v akomkoľvek inom médiu. Elastické vlny s frekvenciou pod 17 Hz sa nazývajú infrazvuk a vlny s frekvenciou nad 20 000 Hz sa nazývajú ultrazvuk.

Zvukové vlny sú elastické vibrácie, ktoré sa šíria vo forme vlnového procesu v plynoch, kvapalinách, pevných látkach.

Nadmerný akustický tlak. Rovnica zvukovej vlny.

Rovnica elastických vĺn umožňuje kedykoľvek vypočítať posun akéhokoľvek bodu v priestore, ktorým vlna prechádza. Ako však hovoriť o vytesnení častíc vzduchu alebo kvapaliny z rovnovážnej polohy? Zvuk, šíriaci sa v kvapaline alebo plyne, vytvára oblasti stláčania a riedenia média, v ktorých sa tlak v porovnaní s tlakom nenarušeného média zvyšuje, resp. znižuje.

Ak je tlak a hustota nenarušeného prostredia (prostredia, ktorým vlna neprechádza) a je to tlak a hustota média pri šírení vlnového procesu v ňom, potom sa veličina nazýva tzv. pretlak . Hodnota existuje maximálna hodnota pretlaku (amplitúda pretlaku ).

Zmena pretlaku pre rovinnú zvukovú vlnu (t. j. rovnica rovinnej zvukovej vlny) je:

kde y je vzdialenosť od zdroja kmitov bodu, pretlak, v ktorom určíme v čase t.

Ak zavedieme hodnotu nadmernej hustoty a jej amplitúdy rovnakým spôsobom, ako sme zaviedli hodnotu nadmerného akustického tlaku, potom rovnica rovinnej zvukovej vlny by mohla byť napísaná takto:

. (30.2)

Rýchlosť zvuku- rýchlosť šírenia zvukových vĺn v médiu. Rýchlosť zvuku v plynoch je spravidla nižšia ako v kvapalinách a v kvapalinách je rýchlosť zvuku nižšia ako v pevných látkach. Čím väčšia je hustota, tým väčšia je rýchlosť zvuku. Rýchlosť zvuku v akomkoľvek médiu sa vypočíta podľa vzorca: kde β je adiabatická stlačiteľnosť média; ρ je hustota.

Objektívna a subjektívna charakteristika zvuku.

Samotné slovo „zvuk“ odráža dva rôzne, ale súvisiace pojmy: 1) zvuk ako fyzikálny jav; 2) zvuk – vnem, ktorý načúvací prístroj (ľudské ucho) zažíva a vnemy, ktoré z neho vznikajú. Podľa toho sú zvukové charakteristiky rozdelené na cieľ , ktoré možno merať fyzickým zariadením a ssubjektívne , určuje vnímanie daného zvuku človekom.

Objektívne (fyzikálne) charakteristiky zvuku zahŕňajú charakteristiky, ktoré popisujú akýkoľvek vlnový proces: frekvenciu, intenzitu a spektrálne zloženie. V tabuľke 1. sú zahrnuté porovnávacie údaje objektívnych a subjektívnych charakteristík.

Stôl 1.

frekvencia zvuku sa meria počtom kmitov častíc média zúčastňujúcich sa vlnenia za 1 sekundu.

Intenzita vlna sa meria energiou, ktorú vlna prenáša za jednotku času cez jednotku plochy (umiestnenú kolmo na smer šírenia vlny).

Spektrálne zloženie (spektrum) zvuk udáva, z akých vibrácií sa tento zvuk skladá a ako sú rozložené amplitúdy medzi jeho jednotlivé zložky.

Rozlišovať spojité a čiarové spektrá . Pre subjektívne posúdenie hlasitosti sa používajú veličiny tzv úroveň zvuku a úroveň hlasitosti .

Tabuľka 2 - Objektívne charakteristiky mechanických vlnových procesov.

Pre charakterizáciu veličín, ktoré určujú vnímanie zvuku, nie sú podstatné ani tak absolútne hodnoty intenzity zvuku a akustického tlaku, ale ich vzťah k určitým prahovým hodnotám. Preto sa zavádzajú pojmy relatívnych úrovní intenzity a akustického tlaku.

Aby bola zvuková vlna vnímaná uchom, je potrebné, aby jej intenzita presahovala minimálnu hodnotu, tzv Phlasný sluch . Hodnota je rôzna pre rôzne frekvencie. Pre frekvenciu je prah sluchu rádovo veľký. Skúsenosťami sa zistilo, že pri každej frekvencii existuje horná hranica akustického výkonu, pri prekročení človek pociťuje bolesť. Hodnota sa volá prah bolesti.

Úroveň intenzity (hladina intenzity zvuku) sa rovná dekadickému logaritmu pomeru intenzity zvuku pri danej frekvencii k intenzite zvuku pri rovnakej frekvencii na prahu počutia:

.

Hlasitosť zvuku - subjektívne vnímanie sily zvuku (absolútna hodnota sluchového vnemu). Hlasitosť závisí hlavne od akustického tlaku a frekvencie zvukových vibrácií. Hlasitosť zvuku je tiež ovplyvnená jeho zafarbením, trvaním vystavenia zvukovým vibráciám a ďalšími faktormi. Úroveň hlasitosti sa rovná dekadickému logaritmu pomeru intenzity zvuku pri danej frekvencii k intenzite zvuku pri frekvencii 1000 Hz na prahu počutia:

.

Jednotkou úrovne intenzity je bel (B): . Jedna desatina bela sa nazýva decibel (dB): 0,1B = 1dB. Vzorec na určenie úrovne intenzity v decibeloch bude mať tvar:

.

Ak vzorec pre úroveň hlasitosti napíšeme do formulára , potom jednotkou merania v SI s touto definíciou veličiny je jednotka nazývaná pozadie. Pri frekvencii 1000 Hz sú stupnice brumu a decibelov rovnaké, pre ostatné frekvencie sú odlišné.

Hladina akustického tlaku sa rovná súčinu 20-násobku logaritmu pomeru akustického tlaku pri danej frekvencii k akustickému tlaku na prahu počutia. Jednotkou merania je v tomto prípade decibel.

.

Ultrazvuk: Mechanické vlny s frekvenciou kmitov väčšou ako 20 000 Hz človek nevníma ako zvuk.

Ultrazvuk je vlnovitý kmitavý pohyb častíc média a je charakterizovaný množstvom charakteristické rysy v porovnaní s počuteľným rozsahom. V ultrazvukovom frekvenčnom rozsahu je relatívne ľahké získať smerové žiarenie; ultrazvukové vibrácie sú vhodné na zaostrovanie, v dôsledku čoho sa zvyšuje intenzita ultrazvukových vibrácií v určitých zónach vplyvu. Ultrazvuk pri šírení v plynoch, kvapalinách a pevných látkach vytvára jedinečné javy, z ktorých mnohé našli praktické uplatnenie v rôznych oblastiach vedy a techniky. Od začiatku výskumu v oblasti aplikácie ultrazvukových vibrácií uplynulo niečo viac ako sto rokov. Počas tejto doby sa v majetku ľudstva objavili desiatky vysoko účinných ultrazvukových technológií, ktoré šetria zdroje a sú šetrné k životnému prostrediu. Patria sem: technológie kalenia, cínovania a spájkovania kovov, zamedzenie tvorby vodného kameňa na teplovýmenných plochách, vŕtanie krehkých a najmä tvrdých materiálov, sušenie termolabilných látok, extrakcia živočíšnych a rastlinných surovín, rozpúšťanie, sterilizácia tekutých látok, jemné striekanie liečiv, ťažkých palív, výroba emulzií a ultrajemných suspenzií, disperzia farbív, zváranie kovov a polymérov, umývanie, čistenie dielov bez použitia horľavých a toxických rozpúšťadiel.

V posledných rokoch začína ultrazvuk hrať čoraz dôležitejšiu úlohu v priemysle a výskume. Úspešne sa uskutočnili teoretické a experimentálne štúdie v oblasti ultrazvukovej kavitácie a akustických tokov, čo umožnilo vyvinúť nové technologické procesy, ktoré sa vyskytujú pri pôsobení ultrazvuku v kvapalnej fáze. V súčasnosti sa formuje nový smer v chémii - ultrazvuková chémia, ktorá umožňuje urýchliť mnohé chemické a technologické procesy a získať nové látky. Vedecký výskum prispel k vzniku novej sekcie akustiky – molekulárnej akustiky, ktorá študuje molekulárnu interakciu zvukových vĺn s hmotou. Objavili sa nové oblasti použitia ultrazvuku: introskopia, holografia, kvantová akustika, ultrazvukové meranie fáz, akustoelektronika.

Spolu s teoretickým a experimentálnym výskumom v oblasti ultrazvuku sa vykonalo množstvo praktickej práce. Boli vyvinuté univerzálne a špeciálne ultrazvukové stroje, zariadenia pracujúce pod zvýšeným statickým tlakom, ultrazvukové mechanizované zariadenia na čistenie dielov, generátory so zvýšenou frekvenciou a novým chladiacim systémom a meniče s rovnomerne rozloženým poľom.

Echolokátor je zariadenie na zisťovanie hĺbky mora. Na určenie vzdialenosti od prekážky na ceste sa používa ultrazvukový lokátor. Keď ultrazvuk prechádza kvapalinou, častice kvapaliny nadobúdajú veľké zrýchlenia a silne ovplyvňujú rôzne telesá umiestnené v kvapaline. Používa sa na urýchlenie rôznych technologických procesov (napríklad príprava roztokov, umývanie dielov, činenie kože atď.). Ultrazvuk sa používa na zistenie defektov kovových častí.V medicíne sa vykonáva ultrazvukové vyšetrenie vnútorných orgánov.

Dopplerov efekt nazývaná zmena frekvencie kmitov vnímaná prijímačom, keď sa zdroj týchto kmitov a prijímač vzájomne pohybujú.

Ak chcete zvážiť Dopplerov efekt, predpokladajme, že zdroj zvuku a prijímač sa pohybujú pozdĺž priamky, ktorá ich spája; v stojím v pr - rýchlosť pohybu zdroja a prijímača a sú kladné, ak sa zdroj (prijímač) približuje k prijímaču (zdroj), a záporné, ak sa vzďaľuje. Frekvencia kmitania zdroja je v 0 .

1. Zdroj a prijímač sú v pokoji vzhľadom na médium, t.j. v ist = v pr \u003d 0. Ak v - rýchlosť šírenia zvukovej vlny v uvažovanom médiu, potom vlnová dĺžka l= vT= v/ v 0 . Vlna, ktorá sa šíri v médiu, dosiahne prijímač a spôsobí oscilácie jeho zvukovo citlivého prvku s frekvenciou

Preto frekvencia v zvuk, ktorý prijímač zaregistruje, sa rovná frekvencii v 0 , s ktorou je zvuková vlna vyžarovaná zdrojom.

2. Prijímač sa priblíži k zdroju a zdroj je v pokoji, t.j. v pr >0, v ist = 0. V tomto prípade bude rýchlosť šírenia vlny vzhľadom na prijímač rovná v + v atď Keďže vlnová dĺžka sa nemení, tak

(30.4)

t.j. frekvencia oscilácií vnímaná prijímačom v ( v+ v atď) / v násobok frekvencie zdroja.

3. Zdroj sa blíži k nástupcovi a prijímač je v pokoji, t.j. v je >0, v pr \u003d 0.

Rýchlosť šírenia kmitov závisí len od vlastností média, preto za čas, ktorý sa rovná perióde kmitov zdroja, sa ním vyžarovaná vlna bude šíriť v smere vzdialenosti prijímača. vT(rovná sa vlnovej dĺžke l) bez ohľadu na to, či sa zdroj pohybuje alebo je v pokoji. Počas rovnakej doby zdroj prekoná vzdialenosť v smere vlny v ist T(Obr. 224), t.j. vlnová dĺžka v smere pohybu sa zmenší a rovná sa l"=l-v ist T=(v-v ist) T, potom

(30.5)

t.j. frekvencia n vibrácie vnímané prijímačom sa zvýšia v/(v – v ist) krát. V prípadoch 2 a 3, ak v ist<0 и v atď<0, знак будет обратным.

4. Zdroj a prijímač sa navzájom pohybujú. Pomocou výsledkov získaných pre prípady 2 a 3 môžeme napísať výraz pre frekvenciu kmitov vnímaných prijímačom:

(30.6)

navyše horné znamienko sa vezme, ak sa počas pohybu zdroja alebo prijímača k sebe priblížia, spodné znamienko - v prípade ich vzájomného odstránenia.

Z vyššie uvedených vzorcov vyplýva, že Dopplerov efekt je rôzny v závislosti od toho, či sa pohybuje zdroj alebo prijímač. Ak smery rýchlostí v pri v ak sa nezhodujú s priamkou prechádzajúcou zdrojom a prijímačom, potom namiesto týchto rýchlostí vo vzorci (30.6) treba vziať ich priemet do smeru tejto priamky.

rázová vlna: povrch diskontinuity, ktorý sa pohybuje vzhľadom na plyn/kvapalina/pevné telesá a pri prekročení ktorého tlak, hustota,

teplota a rýchlosť zažívajú skok.

Rázové vlny vznikajú pri výbuchoch, detonáciách, pri nadzvukových pohyboch telies, pri výkonnej el. výboje atď. Napríklad pri výbuchu výbušnín vznikajú vysoko zahriate produkty výbuchu, ktoré majú vysokú hustotu a sú pod vysokým tlakom. Spočiatku sú obklopené vzduchom v pokoji pri normálnej hustote a atmosférickom tlaku. Expandujúce produkty výbuchu stláčajú okolitý vzduch a v každom okamihu sa stláča len vzduch v určitom objeme; mimo tohto objemu zostáva vzduch nerušený. Postupom času sa objem stlačeného vzduchu zvyšuje. Povrch, ktorý oddeľuje stlačený vzduch od nerušeného vzduchu, je prednou časťou rázovej vlny. V mnohých prípadoch nadzvukového pohybu telies v plyne (delostrelecké granáty, zostupové vesmírne vozidlá) sa smer pohybu plynu nezhoduje s normálou k povrchu čela rázovej vlny a potom vznikajú šikmé rázové vlny. .

Príkladom vzniku a šírenia rázovej vlny je stláčanie plynu v potrubí piestom. Ak sa piest pohybuje pomaly do plynu, potom cez plyn rýchlosťou zvuku a beží akusticky. (elastická) kompresná vlna. Ak rýchlosť piestu nie je malá v porovnaní s rýchlosťou zvuku, vzniká rázová vlna, ktorej rýchlosť sa šíri nerušeným plynom je väčšia ako rýchlosť pohybu častíc plynu (tzv. hmotnostná rýchlosť), ktorá sa zhoduje s rýchlosťou piestu. Vzdialenosti medzi časticami v rázovej vlne sú menšie ako v nenarušenom plyne v dôsledku kompresie plynu. Ak sa piest najskôr zatlačí do plynu nízkou rýchlosťou a postupne sa zrýchľuje, potom sa rázová vlna nevytvorí okamžite. Najprv vzniká kompresná vlna so spojitým rozdelením hustoty r a tlaku R. Postupom času sa strmosť prednej časti kompresnej vlny zvyšuje, pretože poruchy z rýchlo sa pohybujúceho piesta ju dobiehajú a zintenzívňujú, v dôsledku čoho dochádza k prudkému skoku v celej hydrodynamike. množstvá, teda rázová vlna

Rázová vlna v reálnych plynoch. V reálnom plyne pri vysokých teplotách dochádza k budeniu molekulárnych vibrácií, disociácii molekúl, chemickým reakciám, ionizácii atď., čo je spojené s nákladmi na energiu a zmenou počtu častíc. V tomto prípade vnútorná energia e závisí komplikovaným spôsobom na p a ρ a parametre plynu za predkom.

Na prerozdelenie energie plynu stlačeného a zohriateho v silnej rázovej vlne v rôznych stupňoch voľnosti je zvyčajne potrebných veľa molekulárnych zrážok. Preto šírka vrstvy Dx, v ktorej dochádza k prechodu z počiatočného do konečného termodynamicky rovnovážneho stavu, teda šírka čela rázovej vlny, je v reálnych plynoch zvyčajne oveľa väčšia ako šírka viskózneho rázu a je určený časom relaxácia najpomalší z procesov: excitácia kmitov, disociácia, ionizácia a pod

Ryža. 25.1 Rozloženie teploty (a) a hustoty (b) v rázovej vlne šíriacej sa v reálnom plyne .

teplota a hustota v rázovej vlne majú v tomto prípade tvar znázornený na obr. 25.1, kde je viskózny šok znázornený ako výbuch.

Rázová vlna v pevných látkach. Energia a tlak v pevných látkach majú dvojaký charakter: sú spojené s tepelným pohybom a s interakciou častíc (tepelné a elastické zložky). Teória medzičasticových síl nemôže poskytnúť všeobecnú závislosť elastických zložiek tlaku a energie na hustote v širokom rozsahu pre rôzne látky, a preto je teoreticky nemožné zostrojiť funkciu, ktorá spája ( p,ρ) pred a za frontom rázovej vlny. Preto sa výpočty pre tuhé (a kvapalné) telesá určujú zo skúseností alebo semiempiricky. Významná kompresia pevných látok vyžaduje tlaky miliónov atmosfér, ktoré sa teraz dosahujú v experimentálnych štúdiách. V praxi majú veľký význam slabé rázové vlny s tlakmi 10 4 -10 5 atm. Ide o tlaky vznikajúce pri detonácii, výbuchoch vo vode, dopadoch splodín výbuchu na prekážky a pod. V mnohých látkach - železo, bizmut a iné - dochádza v rázovej vlne k fázovým prechodom - polymorfným premenám. Pri nízkych tlakoch v pevných látkach, elastické vlny , o ktorých šírení, podobne ako o šírení slabých kompresných vĺn v plynoch, možno uvažovať na základe zákonov akustiky.

Šírenie zvuku vyžaduje elastické médium. Zvukové vlny sa nemôžu šíriť vo vákuu, pretože tam nemá čo vibrovať. Dá sa to overiť jednoduchým experimentom. Ak je elektrický zvon umiestnený pod skleneným zvonom, potom ako sa vzduch odčerpáva spod zvona, zvuk zvonu bude stále slabší a slabší, až úplne prestane.

Je známe, že počas búrky vidíme záblesk blesku a až po chvíli počujeme hrom. Toto oneskorenie nastáva v dôsledku skutočnosti, že rýchlosť zvuku vo vzduchu je oveľa menšia ako rýchlosť svetla prichádzajúceho z blesku.

Rýchlosť zvuku vo vzduchu prvýkrát zmeral v roku 1636 francúzsky vedec M. Mersen. Pri teplote 20 °C je to rovných 343 m/s, teda 1235 km/h. Všimnite si, že práve na túto hodnotu klesá rýchlosť strely vystrelenej z útočnej pušky Kalašnikov na vzdialenosť 800 m. Úsťová rýchlosť strely je 825 m/s, čo je oveľa viac ako rýchlosť zvuku vo vzduchu. Preto sa človek, ktorý počuje zvuk výstrelu alebo píšťalku guľky, nemusí obávať: táto guľka ho už minula. Guľka predbehne zvuk výstrelu a dorazí k obeti skôr, ako zvuk dorazí.

Rýchlosť zvuku v plynoch závisí od teploty média: so zvyšovaním teploty vzduchu sa zvyšuje a s poklesom klesá. Pri 0 °C je rýchlosť zvuku vo vzduchu 332 m/s.

Zvuk sa šíri rôznymi rýchlosťami v rôznych plynoch. Čím väčšia je hmotnosť molekúl plynu, tým nižšia je rýchlosť zvuku v ňom. Takže pri teplote 0 ° C je rýchlosť zvuku vo vodíku 1284 m / s, v héliu - 965 m / s a ​​v kyslíku - 316 m / s.

Rýchlosť zvuku v kvapalinách je vo všeobecnosti väčšia ako rýchlosť zvuku v plynoch. Rýchlosť zvuku vo vode prvýkrát zmerali v roku 1826 J. Colladon a J. Sturm. Svoje experimenty uskutočnili na Ženevskom jazere vo Švajčiarsku. Na jednom člne zapálili pušný prach a zároveň udreli na zvon spustený do vody. Zvuk tohto zvona spusteného do vody bol zachytený na inom člne, ktorý sa nachádzal vo vzdialenosti 14 km od prvého. Rýchlosť zvuku vo vode bola určená z časového intervalu medzi bliknutím svetelného signálu a príchodom zvukového signálu. Pri teplote 8°C to vyšlo 1440 m/s.

Rýchlosť zvuku v pevných látkach je väčšia ako v kvapalinách a plynoch. Ak priložíte ucho na koľajnicu, po náraze na druhý koniec koľajnice sa ozvú dva zvuky. Jeden z nich dosiahne ucho pozdĺž koľajnice, druhý - vzduchom.

Zem má dobrú zvukovú vodivosť. Preto sa v dávnych dobách pri obliehaní do hradieb pevnosti umiestňovali „poslucháči“, ktorí podľa zvuku prenášaného zemou vedeli určiť, či sa nepriateľ ku hradbám ryje alebo nie. Priložením ucha k zemi sledovali aj príchod nepriateľskej jazdy.

Pevné telesá dobre vedú zvuk. Z tohto dôvodu sú ľudia, ktorí stratili sluch, niekedy schopní tancovať na hudbu, ktorá sa dostáva k sluchovým nervom nie cez vzduch a vonkajšie ucho, ale cez podlahu a kosti.

Rýchlosť zvuku možno určiť na základe znalosti vlnovej dĺžky a frekvencie (alebo periódy) oscilácií.

Rýchlosť zvuku- rýchlosť šírenia elastických vĺn v prostredí: pozdĺžna (v plynoch, kvapalinách alebo tuhých látkach) aj priečna, šmyková (v tuhých látkach). Je určená elasticitou a hustotou média: rýchlosť zvuku v plynoch je spravidla nižšia ako v kvapalinách a v kvapalinách je nižšia ako v pevných látkach. Tiež v plynoch závisí rýchlosť zvuku od teploty danej látky, v monokryštáloch - od smeru šírenia vlny. Zvyčajne nezávisí od frekvencie vlny a jej amplitúdy; v prípadoch, keď rýchlosť zvuku závisí od frekvencie, hovorí sa o rozptyle zvuku.

Encyklopedický YouTube

• 1 / 5

  Už u antických autorov existuje náznak, že zvuk vzniká v dôsledku kmitavého pohybu tela (Ptolemaios, Euklides). Aristoteles poznamenáva, že rýchlosť zvuku je obmedzená a správne si predstavuje povahu zvuku. Pokusy experimentálne určiť rýchlosť zvuku sa datujú do prvej polovice 17. storočia. F. Bacon v „New Organon“ poukázal na možnosť určenia rýchlosti zvuku porovnaním časových intervalov medzi zábleskom svetla a zvukom výstrelu. Pomocou tejto metódy rôzni výskumníci (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, skupina vedcov z Parížskej akadémie vied - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Römer) určili hodnotu rýchlosti zvuku. (v závislosti od experimentálnych podmienok 350-390 m/s). Teoreticky sa otázkou rýchlosti zvuku prvýkrát zaoberal I. Newton vo svojich „Princípoch“. Newton v skutočnosti predpokladal izotermické šírenie zvuku, takže dostal podcenenie. Správnu teoretickú hodnotu rýchlosti zvuku získal Laplace.

  Výpočet rýchlosti v kvapaline a plyne

  Rýchlosť zvuku v homogénnej kvapaline (alebo plyne) sa vypočíta podľa vzorca:

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

  V parciálnych derivátoch:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left(\frac (\) čiastočné p)(\čiastočné v))\vpravo)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (Cp)(Cv))\ľavé ((\frac (\čiastočné p) (\čiastočné v))\vpravo)_(T))))

  kde β (\displaystyle \beta )- adiabatická stlačiteľnosť média; ρ (\displaystyle \rho )- hustota; Cp (\displaystyle Cp)- izobarická tepelná kapacita; c v (\displaystyle cv)- izochorická tepelná kapacita; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- tlak, špecifický objem a teplota média; s (\displaystyle s)- entropia prostredia.

  Pre roztoky a iné zložité fyzikálne a chemické systémy (napríklad zemný plyn, ropa) môžu tieto výrazy spôsobiť veľmi veľkú chybu.

  Pevné látky

  V prítomnosti rozhraní sa elastická energia môže prenášať povrchovými vlnami rôznych typov, ktorých rýchlosť sa líši od rýchlosti pozdĺžnych a priečnych vĺn. Energia týchto kmitov môže byť mnohonásobne väčšia ako energia objemových vĺn.