Ми знаємо, що звук розповсюджується повітрям. Саме тому ми можемо чути. У вакуумі жодних звуків не може існувати. Але якщо звук передається повітрям, внаслідок взаємодії його частинок, чи передаватиметься й іншими речовинами? Буде.

Поширення та швидкість звуку в різних середовищах

Звук передається не лише повітрям. Напевно, всі знають, що якщо прикласти вухо до стіни, можна почути розмови в сусідній кімнаті. У разі звук передається стіною. Звуки поширюються і воді, й у інших середовищах. Понад те, поширення звуку у різних середовищах відбувається по-різному. Швидкість звуку відрізняєтьсязалежно від речовини.

Цікаво, що швидкість поширення звуку у воді майже вчетверо вища, ніж у повітрі. Тобто риби чують «швидше», ніж ми. У металах та склі звук поширюється ще швидше. Це тому, що звук це коливання середовища, і звукові хвилі передаються швидше середах з кращою провідністю.

Щільність і провідність води більша, ніж у повітря, але менша, ніж у металу. Відповідно, і звук передається по-різному. При переході з одного середовища до іншої швидкість звуку змінюється.

Довжина звукової хвилі також змінюється при її переході з одного середовища до іншого. Колишньої залишається лише її частота. Але саме тому ми можемо розрізнити, хто конкретно говорить навіть крізь стіни.

Оскільки звук це коливання, всі закони і формули для коливань і хвиль добре застосовні до звуковим коливанням. При розрахунку швидкості звуку повітря слід враховувати і те, що ця швидкість залежить від температури повітря. У разі збільшення температури швидкість поширення звуку зростає. За нормальних умов швидкість звуку в повітрі становить 340 344 м/с.

Звукові хвилі

Звукові хвилі, як відомо з фізики, поширюються у пружних середовищах. Саме тому звуки добре передаються землею. Приклавши вухо до землі, можна здалеку почути звук кроків, тупіт копит і таке інше.

У дитинстві всі, напевно, розважалися, прикладаючи вухо до рейок. Стук коліс поїзда передається рейками на кілька кілометрів. Для створення зворотного ефекту звукопоглинання використовують м'які та пористі матеріали.

Наприклад, щоб захистити від сторонніх звуківякесь приміщення, або, навпаки, щоб не допустити виходу звуків із кімнати назовні, приміщення обробляють, звукоізолюють. Стіни, підлога та стеля оббивають спеціальними матеріалами на основі спінених полімерів. У такій оббивці дуже швидко затихають усі звуки.

Більшість людей чудово розуміють, що таке звук. Він асоціюється зі слухом і пов'язаний із фізіологічними та психологічними процесами. У мозку здійснюється переробка відчуттів, які надходять через органи слуху. Швидкість звуку залежить багатьох чинників.

Звуки, що розрізняються людьми

У загальному сенсі слова звук – це фізичне явищещо викликає вплив на органи слуху. Він має вигляд поздовжніх хвиль різної частоти. Люди можуть чути звук, частота якого коливається не більше 16-20000 Гц. Ці пружні поздовжні хвилі, які поширюються у повітрі, а й у інших середовищах, досягаючи вуха людини, викликають звукові відчуття. Люди можуть чути далеко не усі. Пружні хвилі частотою менше 16 Гц називають інфразвуком, а вище 20000 Гц – ультразвуком. Їхнє людське вухо не може чути.

Характеристики звуку

Розрізняють дві основні характеристики звуку: гучність та висоту. Перша їх пов'язані з інтенсивністю пружної звукової хвилі. Існує й інший важливий показник. Фізичною величиною, Що характеризує висоту, є частота коливань пружної хвилі. При цьому діє одне правило: чим вона більша, тим звук вищий, і навпаки. Ще однією найважливішою характеристикою є швидкість звуку. У різних середовищахвона буває різною. Вона являє собою швидкість поширення пружних звукових хвиль. У газовому середовищі цей показник буде меншим, ніж у рідинах. Швидкість звуку в твердих тілахнайвища. При цьому для хвиль поздовжніх вона завжди більша, ніж для поперечних.

Швидкість розповсюдження звукових хвиль

Цей показник залежить від щільності середовища та її пружності. У газових середовищах нею діє температура речовини. Як правило, швидкість звуку не залежить від амплітуди та частоти хвилі. У поодиноких випадках, коли ці характеристики впливають, говорять про так звану дисперсію. Швидкість звуку в парах чи газах коливається в межах 150-1000 м/с. У рідких середовищах вона становить 750-2000 м/с, а твердих матеріалах - 2000-6500 м/с. У нормальних умовах швидкість звуку повітря досягає 331 м/с. У звичайній воді– 1500 м/с.

Швидкість звукових хвиль у різних хімічних середовищах

Швидкість поширення звуку у різних хімічних середовищах неоднакова. Так, в азоті вона становить 334 м/с, у повітрі - 331, в ацетилені - 327, в аміаку - 415, у водні - 1284, у метані - 430, у кисні - 316, у гелії - 965, чадному газі- 338, у вуглекислоті - 259, у хлорі - 206 м/с. Швидкість звукової хвилі в газоподібних середовищах зростає із підвищенням температури (Т) та тиску. У рідинах вона найчастіше зменшується зі збільшенням Т кілька метрів за секунду. Швидкість звуку (м/с) у рідких середовищах (при температурі 20°С):

Вода – 1490;

Етиловий спирт – 1180;

Бензол – 1324;

Ртуть – 1453;

Вуглець чотирихлористий – 920;

Гліцерин – 1923.

З вищевказаного правила винятком є ​​лише вода, у якій зі зростанням температури збільшується швидкість звуку. Своєї максимуму вона досягає при нагріванні цієї рідини до 74°С. У разі підвищення температури швидкість звуку зменшується. При збільшенні тиску вона збільшуватиметься на 0,01%/1 Атм. У солоній морській водізі зростанням температури, глибини та солоності підвищуватиметься і швидкість звуку. У інших середовищах цей показник змінюється по-різному. Так, у суміші рідини та газу швидкість звуку залежить від концентрації її складових. В ізотопному твердому тілі вона визначається його щільністю та модулями пружності. У необмежених щільних середовищах поширюються поперечні (зсувні) та поздовжні пружні хвилі. Швидкість звуку (м/с) твердих речовинах(Поздовжньої/поперечної хвилі):

Скло – 3460-4800/2380-2560;

Плавлений кварц – 5970/3762;

Бетон – 4200-5300/1100-1121;

Цинк – 4170-4200/2440;

Тефлон – 1340/*;

Залізо – 5835-5950/*;

Золото – 3200-3240/1200;

Алюміній – 6320/3190;

Срібло – 3660-3700/1600-1690;

Латунь – 4600/2080;

Нікель – 5630/2960.

У феромагнетиках швидкість звукової хвилі залежить від величини напруженості магнітного поля. У монокристалах швидкість звукової хвилі (м/с) залежить від напряму її поширення:

• рубін (подовжня хвиля) – 11240;
• сульфід кадмію (поздовжня/поперечна) - 3580/4500;
• ніобат літію (поздовжня) – 7330.

Швидкість звуку у вакуумі дорівнює 0, оскільки в такому середовищі він просто не поширюється.

Визначення швидкості звуку

Все те, що пов'язане із звуковими сигналами, цікавило наших предків ще тисячі років тому. Над визначенням сутності цього явища працювали практично всі визначні вчені стародавнього світу. Ще античні математики встановили, що звук зумовлюється коливальними рухамитіла. Про це писали Евклід та Птолемей. Аристотель встановив, що швидкість звуку відрізняється кінцевою величиною. Перші спроби визначення цього показника було зроблено Ф. Беконом у XVII в. Він намагався встановити швидкість шляхом порівняння часових проміжків між звуком пострілу та спалахом світла. З цього методу група фізиків Паризької Академії наук вперше визначила швидкість звукової хвилі. У різних умовахексперименту вона становила 350-390 м/с. Теоретичне обґрунтуванняШвидкість звуку вперше у своїх «Початках» розглянув І. Ньютон. Зробити правильне визначення цього показника вийшло у П.С. Лапласа.

Формули швидкості звуку

Для газоподібних середовищ та рідин, в яких звук поширюється, як правило, адіабатично, зміна температури, пов'язана з розтягуваннями та зі стисненням у поздовжній хвилі, не може швидко вирівнюватися за короткий період часу. Очевидно, що цей показник впливає кілька чинників. Швидкість звукової хвилі в однорідному газовому середовищі або рідині визначається за такою формулою:

де - адіабатична стисливість, - щільність середовища.

У приватних похідних ця величина вважається за такою формулою:

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

де ρ, T, υ - тиск середовища, її температура та питомий обсяг; S – ентропія; Cp – ізобарна теплоємність; Cυ – ізохорна теплоємність. Для газових середовищ ця формула буде виглядати так:

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

де ζ - величина адіабати: 4/3 для багатоатомних газів, 5/3 для одноатомних, 7/5 для двоатомних газів (повітря); R - постійна газова (універсальна); T - абсолютна температура, що вимірюється в кельвінах; k – постійна Больцмана; t - температура в ° С; M - молярна маса; m - молекулярна маса; ? 2 = ζR/ M.

Визначення швидкості звуку у твердому тілі

У твердому тілі, що має однорідність, існує два види хвиль, що відрізняються поляризацією коливань по відношенню до напрямку їх поширення: поперечна (S) і поздовжня (P). Швидкість першої (C S) завжди буде нижчою, ніж другою (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,

де K, E, G – модулі стиснення, Юнга, зсуву; v – коефіцієнт Пуассона. Під час розрахунку швидкості звуку твердому тілі використовуються адіабатичні модулі пружності.

Швидкість звуку в багатофазних середовищах

У багатофазних середовищах завдяки непружному поглинанню енергії швидкість звуку знаходиться у прямій залежності від частоти коливань. У двофазному пористому середовищі вона розраховується за рівняннями Біо-Миколаївського.

Висновок

Вимірювання швидкості звукової хвилі використовується щодо різних властивостей речовин, таких як модулі пружності твердого тіла, стисливість рідин і газу. Чутливим методом визначення домішок є вимірювання малих змін швидкості звукової хвилі. У твердих тілах коливання цього показника дозволяє проводити дослідження зонної структури напівпровідників. Швидкість звуку є дуже важливою величиною, вимірювання якої дозволяє дізнатися багато про найрізноманітніші середовища, тіла та інші об'єкти наукових досліджень. Без уміння її визначати було б неможливим багато наукових відкриттів.

1.25. 3ВУКОВІ ХВИЛІ

Концепція звукової хвилі. Швидкість звуку у різних середовищах. Фізичні характеристики звуку: інтенсивність, спектр, висота тону, гучність, згасання. Ультразвук та його застосування. Ефект Доплера. Ударні хвилі.

Звукові хвилі.

Важливим видом поздовжніх хвиль є звукові хвилі . Так називаються хвилі із частотами 17 – 20000 Гц. Вчення про звук називається акустикою. В акустиці вивчаються хвилі, які поширюються у повітрі, а й у будь-якому іншому середовищі. Пружні хвилі з частотою нижче 17 Гц називаються інфразвуком, і з частотою понад 20000 Гц – ультразвуком.

Звукові хвилі - пружні коливання, що поширюються у вигляді хвильового процесу в газах, рідинах, твердих тілах.

Надлишковий звуковий тиск. Зрівняння звукової хвилі.

Рівняння пружної хвилі дозволяє обчислити зміщення будь-якої точки простору, яким проходить хвиля, у будь-який момент часу. Але як говорити про усунення частинок повітря чи рідини від положення рівноваги? Звук, поширюючись у рідині чи газі, створює області стиснення і розрядження середовища, у яких тиск відповідно підвищується чи знижується проти тиском необуренного середовища.

Якщо - тиск і щільність незбурненого середовища (середовища, по якому не проходить хвиля), а - тиск і щільність середовища при поширенні в ньому хвильового процесу, то величина називається надлишковим тиском . Величина є максимальне значення надлишковий тиск (амплітуда надлишкового тиску ).

Зміна надлишкового тиску для плоскої звукової хвилі (тобто рівняння плоскої звукової хвилі) має вигляд:

де y - Відстань від джерела коливань точки, надлишковий тиск в якій ми визначаємо в момент часу t.

Якщо ввести величину надмірної щільності та її амплітуди так само, як ми вводили величину надлишкового звукового тиску, то рівняння плоскої звукової хвилі можна було б записати так:

. (30.2)

Швидкість звуку- швидкість поширення звукових хвиль у середовищі. Як правило, в газах швидкість звуку менша, ніж в рідинах, а в рідинах швидкість звуку менше, ніж у твердих тілах. Чим більша щільність, тим більша швидкість звуку. Швидкість звуку в будь-якому середовищі обчислюється за формулою: де - адіабатична стисливість середовища; - щільність.

Об'єктивні та суб'єктивні характеристики звуку.

Саме слово “звук” відбиває два різних, але взаємозалежних поняття: 1)звук як фізичне явище; 2) звук – те сприйняття, яке відчуває слуховий апарат (людське вухо) і відчуття, що у нього у своїй. Відповідно характеристики звуку поділяються на об'єктивні , які можуть бути виміряні фізичною апаратурою, та зуб'єктивні , обумовлені сприйняттям цього звуку людиною.

До об'єктивних (фізичних) характеристик звуку відносяться характеристики, які описують будь-який хвильовий процес: частота, інтенсивність та спектральний склад. У таблицю1. включені порівняльні дані об'єктивних та суб'єктивних характеристик.

Таблиця 1.

Частота звуку вимірюється числом коливань частинок середовища, що у хвильовому процесі, в 1 секунду.

Інтенсивність хвилі вимірюється енергією, що переноситься хвилею в одиницю часу через одиничну площу (розташовану перпендикулярно до напряму поширення хвилі).

Спектральний склад (спектр) звуку вказує з яких коливань складається цей звук і як розподілені амплітуди між окремими його складовими.

Розрізняють суцільні та лінійчасті спектри . Для суб'єктивної оцінки гучності використовуються величини, які називаються рівнем сили звуку та рівнем гучності .

Таблиця 2 Об'єктивні характеристики механічних хвильових процесів.

Для характеристики величин, що визначають сприйняття звуку, суттєвими є не так абсолютні значення інтенсивності звуку і звукового тиску, скільки їх відношення до деяких порогових значень. Тому вводяться поняття відносних рівнів інтенсивності та звукового тиску.

Щоб звукова хвиля сприймалася на слух, необхідно, щоб її інтенсивність перевищувала б мінімальну величину, звану порогом чутності . Розмір різна для різних частот. Для частоти поріг чутності становить величину порядку. Досвідом встановлено, що на кожній частоті є верхня межа сили звуку, при перевищенні якого у людини виникають болючі відчуття. Величина називається порогом больового відчуття.

Рівень інтенсивності (Рівень сили звуку) дорівнює десятковому логарифму відношення інтенсивності звуку при даній частоті до інтенсивності звуку при тій же частоті на порозі чутності:

.

Гучність звуку - Суб'єктивне сприйняття сили звуку (абсолютна величина слухового відчуття). Гучність головним чином залежить від звукового тиску та частоти звукових коливань. Також на гучність звуку впливають його тембр, тривалість впливу звукових коливань та інші чинники. Рівень гучності дорівнює десятковому логарифму відношення інтенсивності звуку при даній частоті до інтенсивності звуку при частоті 1000 Гц на порозі чутності:

.

Одиницею вимірювання рівня інтенсивності є білий (Б): . Одна десята частина білого називається децибел (дБ): 0,1Б = 1дБ. Формула для визначення рівня інтенсивності в децибелах набуде вигляду:

.

Якщо записати формулу для рівня гучності у вигляді то одиницею виміру в СІ при такому визначенні величини є одиниця, що має назву фон. При частоті 1000 Гц шкала фонів і децибел збігаються, інших частот вони різні.

Рівень звукового тиску дорівнює добутку 20 на логарифм відношення звукового тиску при даній частоті звукового тиску на порозі чутності. Одиницею виміру у разі є децибел.

.

Ультразвук:Механічні хвилі з частотою коливання, більшою за 20000Гц, не сприймаються людиною як звук.

Ультразвук є хвилеподібно розповсюджується коливальний рух частинок середовища і характеризується поруч відмінних риспроти коливаннями чутного діапазону. У ультразвуковому діапазоні частот порівняно легко одержати спрямоване випромінювання; ультразвукові коливання добре піддаються фокусуванню, внаслідок чого підвищується інтенсивність ультразвукових коливань у певних зонах впливу. При поширенні в газах, рідинах і твердих тілах ультразвук породжує унікальні явища, багато з яких знайшли практичне застосування в різних галузях науки та техніки. Пройшло трохи більше ста років від початку досліджень у галузі застосування ультразвукових коливань. За цей час в активі людства з'явилися десятки високоефективних, ресурсозберігаючих та екологічно безпечних ультразвукових технологій. До них відносяться: технології загартування, лудіння та паяння металів, запобігання утворенню накипу на теплообмінних поверхнях, свердління крихких та особливо твердих матеріалів, сушіння термолабільних речовин, екстрагування тваринної та рослинної сировини, розчинення, стерилізації рідких речовин, дрібнодисперсного розпилення лікарських засобів , отримання емульсій та надтонких суспензій, диспергування барвників, зварювання металівта полімерів, миття, очищення деталей без застосування горючих та токсичних розчинників.

В останні роки ультразвук починає відігравати все більшу роль у промисловості та наукових дослідженнях. Успішно проведено теоретичні та експериментальні дослідження в галузі ультразвукової кавітації та акустичних течій, що дозволили розробити нові технологічні процеси, що протікають при впливі ультразвуку в рідкій фазі. В даний час формується новий напрямок хімії - ультразвукова хімія, що дозволяє прискорити багато хіміко-технологічних процесів і отримати нові речовини. Наукові дослідження сприяли зародженню нового розділу акустики – молекулярної акустики, що вивчає молекулярну взаємодію звукових хвиль із речовиною. Виникли нові сфери застосування ультразвуку: інтроскопія, голографія, квантова акустика, ультразвукова фазомірія, акустоелектроніка.

Поряд з теоретичними та експериментальними дослідженнями в галузі ультразвуку виконано багато практичних робіт. Розроблено універсальні та спеціальні ультразвукові верстати, установки, що працюють під підвищеним статичним тиском, ультразвукові механізовані установки для очищення деталей, генератори з підвищеною частотою та новою системою охолодження, перетворювачі з рівномірно розподіленим полем.

Ехолот-прилад визначення глибини моря. Ультразвуковий локатор використовується визначення відстані до перешкоди по дорозі. При проходженні ультразвуку через рідину частинки рідини набувають великих прискорень і сильно впливають на різні тіла, поміщені в рідину. Це використовують для прискорення різних технологічних процесів (наприклад, приготування розчинів. Відмивання деталей, дублення шкір і т.д.). У медицині проводиться ультразвукове дослідження внутрішніх органів.

Ефектом Доплераназивається зміна частоти коливань, що сприймається приймачем, при русі джерела цих коливань та приймача один щодо одного.

Для розгляду ефекту Доплера припустимо, що джерело і приймач звуку рухаються вздовж прямої, що з'єднує їх; vіст і vпр - відповідно швидкості руху джерела та приймача, причому вони позитивні, якщо джерело (приймач) наближається до приймача (джерела), і негативні, якщо видаляється. Частота коливань джерела дорівнює v 0 .

1. Джерело та приймач спочивають щодо середовища,тобто. vіст = vпр=0. Якщо v - швидкість поширення звукової хвилі в аналізованому середовищі, то довжина хвилі l= vT= v/ v 0 . Поширюючись у середовищі, хвиля досягне приймача і викличе коливання звукочутливого елемента з частотою

Отже, частота vзвуку, який зареєструє приймач, дорівнює частоті v 0 з якою звукова хвиля випромінюється джерелом.

2. Приймач наближається до джерела, а джерело спочиває,тобто. vпр >0, vіст = 0. В даному випадку швидкість поширення хвилі щодо приймача стане рівною. v + vпр. Оскільки довжина хвилі при цьому не змінюється, то

(30.4)

тобто частота коливань, що сприймаються приймачем, ( v+ vпр) / vразів більше частоти коливань джерела.

3. Джерело наближається до наступника, а приймач спочиває,тобто. vіст >0, vпр=0.

Швидкість поширення коливань залежить лише від властивостей середовища, тому за час, що дорівнює періоду коливань джерела, випромінювана ним хвиля пройде у напрямку до приймача відстань vT(Рівне довжині хвилі l) незалежно від того, чи рухається джерело чи спочиває. За цей же час джерело пройде у напрямку хвилі відстань vіст T(рис. 224), тобто довжина хвилі в напрямку руху скоротиться і стане рівною l"=l-vіст Т=(v-vіст) Tтоді

(30.5)

тобто частота nколивань, що сприймаються приймачем, збільшиться в v/(v – vіст) раз. У випадках 2 та 3, якщо vіст<0 и vпр<0, знак будет обратным.

4. Джерело та приймач рухаються відносно один одного.Використовуючи результати, отримані для випадків 2 і 3, можна записати вираз частоти коливань, що сприймаються приймачем:

(30.6)

причому верхній знак береться, якщо під час руху джерела чи приймача відбувається їх зближення, нижній знак - у разі взаємного видалення.

З наведених формул випливає, що ефект Доплера різний залежно від того, чи джерело або приймач рухається. Якщо напрями швидкостей vпри і vіст не збігаються з проходить через джерело і приймач прямий, замість цих швидкостей у формулі (30.6) треба брати їх проекції на напрям цієї прямої.

Ударна хвиля:поверхня розриву, яка рухається щодо газу/рідини/твердих тіл і при перетині якої тиск, щільність,

температура та швидкість відчувають стрибок.

Ударні хвилі виникають при вибухах, детонації, при надзвукових рухах тіл, при потужних електрич. розрядах і т. д. Наприклад, при вибуху ВР утворюються високонагріті продукти вибуху, що мають велику щільність і знаходяться під високим тиском. У початковий момент вони оточені повітрям, що лежить при нормальній щільності і атмосферному тиску. Продукти вибуху, що розширюються, стискають навколишнє повітря, причому в кожний момент часу стиснутим виявляється лише повітря, що знаходиться в певному обсязі; поза цим обсягом повітря залишається у незбуреному стані. З часом обсяг стисненого повітря зростає. Поверхня, яка відокремлює стиснене повітря від незбурненого, і є фронтом ударної хвилі. У ряді випадків надзвукового руху тіл у газі (артилерійські снаряди, космічні апарати, що спускаються) напрям руху газу не збігається з нормаллю до поверхні фронту ударної хвилі, і тоді виникають косі ударні хвилі .

Прикладом виникнення та розповсюдження ударної хвилі може бути стиск газу в трубі поршнем. Якщо поршень входить у газ повільно, то газу зі швидкістю звуку абіжить акустич. (Пружна) хвиля стиснення. Якщо ж швидкість поршня не мала в порівнянні зі швидкістю звуку, виникає ударна хвиля, швидкість поширення якої по незбуреному газу більша, ніж швидкість руху частинок газу (т.з. масова швидкість), що збігається зі швидкістю поршня. Відстань між частинками в ударній хвилі менша, ніж у незбуреному газі, внаслідок стиснення газу. Якщо поршень спочатку всувають у газ із невеликою швидкістю і поступово прискорюють, то ударна хвиля утворюється не відразу. Спочатку виникає хвиля стиснення з безперервними розподілами щільності r та тиску нар.З плином часу крутість передньої частини хвилі стиснення наростає, тому що обурення від прискорено рухомого поршня наздоганяють її і посилюють, внаслідок чого виникає різкий стрибок всіх гідродинамічних. величин, тобто ударна хвиля

Ударна хвиля у реальних газах. У реальному газі за високих температур відбуваються збудження молекулярних коливань, дисоціація молекул, хімічні реакції, іонізація тощо. буд., що пов'язані з витратами енергії та зміною кількості часток. При цьому внутрішня енергія e складним чином залежить від pі ρ та параметри газу за фронтом.

Для перерозподілу енергії газу, стиснутого і нагрітого у сильному стрибку ущільнення, за різними ступенями свободи потрібно зазвичай дуже багато зіткнень молекул. Тому ширина шару Dx, в якому відбувається перехід з початкового в кінцевий термодинамічно рівноважний стан, тобто ширина фронту ударної хвилі, в реальних газах зазвичай набагато більше ширини в'язкого стрибка і визначається часом релаксації найбільш повільного з процесів: порушення коливань, дисоціації, іонізації тощо.

Рис. 25.1 Розподіл температури (a) та щільності (б) у ударній хвилі, що поширюється в реальному газі .

температури та густини в ударній хвилі при цьому мають вигляд, показаний на рис. 25.1 де в'язкий стрибок ущільнення зображений у вигляді вибуху.

Ударна хвиля у твердих тілах.Енергія і тиск у твердих тілах мають двояку природу: вони пов'язані з тепловим рухом та взаємодією частинок (теплові та пружні складові). Теорія міжчасткових сил не може дати загальної залежності пружних складових тиску та енергії від щільності в широкому діапазоні для різних речовин, і, отже, теоретично не можна побудувати функцію, що зв'язує ( p,ρ) до та за фронтом ударної хвилі. Тому розрахунки для твердих (і рідких) тіл визначаються досвідом або напівемпірично. Для значного стиснення твердих тіл потрібні тиски в мільйони атмосфер, які зараз досягаються під час експериментальних досліджень. Насправді велике значення мають слабкі ударні хвилі з тисками 10 4 -10 5 атм. Це тиски, що розвиваються при детонації, вибухах у воді, ударах продуктів вибуху про перешкоди і т. д.. У ряді речовин - залізі, вісмуті та інших в ударній хвилі відбуваються фазові переходи - поліморфні перетворення. При невеликих тисках у твердих тілах виникають пружні хвилі , поширення яких, як і поширення слабких хвиль стискування газах, можна розглядати з урахуванням законів акустики.

Для поширення звуку необхідне пружне середовище. У вакуумі звукові хвилі поширюватися не можуть, бо там нема чого вагатися. У цьому вся можна переконатися на простому досвіді. Якщо помістити під скляний дзвін електричний дзвінок, то в міру викачування з-під дзвону повітря звук від дзвінка стає дедалі слабшим, поки не припиниться зовсім.

Відомо, що під час грози ми бачимо спалах блискавки і лише через деякий час чуємо гуркіт грому. Це запізнення виникає через те, що швидкість звуку в повітрі значно менша за швидкість світла, що йде від блискавки.

Швидкість звуку в повітрі вперше була виміряна в 1636 французьким вченим М. Мерсен-ном. При температурі 20 °С вона дорівнює 343 м/с, тобто 1235 км/год. Зауважимо, що саме до такого значення зменшується на відстані 800 м швидкість кулі, яка вилетіла з автомата Калашнікова. Початкова швидкість кулі 825 м/с, що значно перевищує швидкість звуку повітря. Тому людина, яка почула звук пострілу чи свист кулі, може не турбуватися: ця куля його вже минула. Куля обганяє звук пострілу і досягає своєї жертви до того, як надходить цей звук.

Швидкість звуку в газах залежить від температури середовища: зі збільшенням температури повітря вона зростає, а зі зменшенням – зменшується. При 0 °С швидкість звуку повітря становить 332 м/с.

У різних газах звук поширюється із різною швидкістю. Чим більша маса молекул газу, тим менша швидкість звуку в ньому. Так, при температурі 0 °С швидкість звуку у водні становить 1284 м/с, гелії - 965 м/с, а в кисні - 316 м/с.

Швидкість звуку в рідинах, як правило, більша за швидкість звуку в газах. Швидкість звуку у воді вперше була виміряна у 1826 р. Ж. Колладоном та Я. Штурмом. Свої досліди вони проводили на Женевському озері у Швейцарії. На одному човні підпалювали порох і водночас ударяли в дзвін, опущений у воду. Звук цього дзвона, опущеного у воду, уловлювався на іншому човні, який знаходився на відстані 14 км від першого. За інтервалом часу між спалахом світлового сигналу та надходженням звукового сигналу визначили швидкість звуку у воді. При температурі 8°С вона дорівнювала 1440 м/с.

Швидкість звуку в твердих тілах більша, ніж у рідинах та газах. Якщо додати вухо до рейки, то після удару по іншому кінці рейки чути два звуки. Один з них досягає вуха рейкою, інший - повітрям.

Хорошу провідність звуку має земля. Тому в старі часи під час облоги в фортечних стінах поміщали «слухачів», які за звуком, що передається землею, могли визначити, чи ворог веде підкоп до стін чи ні. Прикладаючи вухо до землі, також стежили за наближенням ворожої кінноти.

Тверді тіла добре проводять звук. Завдяки цьому люди, які втратили слух, іноді здатні танцювати під музику, яка доходить до слухових нервів не через повітря та зовнішнє вухо, а через підлогу та кістки.

Швидкість звуку можна визначити, знаючи довжину хвилі та частоту (або період) коливань.

Швидкість звуку- швидкість поширення пружних хвиль у середовищі: як поздовжніх (у газах, рідинах або твердих тілах), так і поперечних, зсувних (у твердих тілах). Визначається пружністю і щільністю середовища: зазвичай, у газах швидкість звуку менше, ніж у рідинах , а рідинах - менше, ніж у твердих тілах. Також, у газах швидкість звуку залежить від температури даної речовини, в монокристалах - від напряму поширення хвилі. Зазвичай залежить від частоти хвилі та її амплітуди; у тих випадках, коли швидкість звуку залежить від частоти, говорять про дисперсію звуку.

Енциклопедичний YouTube

• 1 / 5

  Вже в античних авторів зустрічається вказівка ​​те що, що звук обумовлений коливальним рухом тіла (Птолемей , Евклид). Аристотель зазначає, що швидкість звуку має кінцеву величину, і правильно уявляє собі природу звуку. Спроби експериментального визначення швидкості звуку відносяться до першої половини XVII ст. Ф.Бекон у «Новому органоні» вказав на можливість визначення швидкості звуку шляхом порівняння проміжків часу між спалахом світла і звуком пострілу. Застосувавши цей метод, різні дослідники (М. Мерсенн, П. Гассенді, У. Дерхам, група вчених Паризької академії наук - Д. Кассіні, Ж. Пікар, Гюйгенс, Ремер) визначили значення швидкості звуку (залежно від умов експериментів, 35 390 м/с). Теоретично питання про швидкість звуку вперше розглянув І. Ньютон у своїх «Початках». Ньютон фактично припускав ізотермічність розповсюдження звуку, тому одержав занижену оцінку. Правильне теоретичне значення швидкості звуку було отримано Лапласом.

  Розрахунок швидкості в рідині та газі

  Швидкість звуку в однорідній рідині (або газі) обчислюється за такою формулою:

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

  У приватних похідних:

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

  де β (\displaystyle \beta )- адіабатична стисливість середовища; ρ (\displaystyle \rho )- густина; C p (\displaystyle Cp)- ізобарна теплоємність; C v (\displaystyle Cv)- ізохорна теплоємність; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- тиск, питомий обсяг та температура середовища; s (\displaystyle s)- Ентропія середовища.

  Для розчинів та інших складних фізико-хімічних систем (наприклад, природного газу, нафти) дані вирази можуть давати дуже велику похибку.

  Тверді тіла

  За наявності меж розділу, пружна енергія може передаватися за допомогою поверхневих хвиль різних типів, швидкість яких відрізняється від швидкості поздовжніх і поперечних хвиль. Енергія цих коливань може у багато разів перевершувати енергію об'ємних хвиль.