ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Аномальные диспепсия и поглощение ультразвука из "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений " Обычно заметные дисперсия и поглощение звука в газах, связанные с вязкостью и теплопроводностью, возникают только при очень малых длинах звуковых волн, сравнимых с длиною пробега частиц в газе, и частотах, сравнимых с частотой газокинетических столкновений (см. 22 гл. I). [c.428] Однако при распространении ультразвуковых волн в молекулярных газах иногда наблюдаются аномально высокие дисперсия и поглощение в области гораздо больших длин волн и меньших частот. Эти явления связаны с релаксационными процессами установления равновесия в медленно возбуждающихся степенях свободы газа. В предельном случае низких частот времена релаксации для установления равновесия в тех степенях свободы, которые дают заметный вклад в теплоемкость, малы по сравнению с периодом звуковых колебаний. В этих условиях состояние частицы газа в каждый момент является термодинамически равновесным и следит за изменениями давления и плотности в звуковой волне. [c.428] Дисперсия звука наблюдается и в газах, в которых происходят медленные химические превращения при изменениях температуры (и плотности) в звуковой волне. Примером может служить реакция полимеризации двуокиси азота 2NO2 5 N2O4, которая легко протекает при комнатной температуре, так как теплота активации ее в обеих направлениях мала. Именно применительно к такого рода системам теория дисперсии звука была впервые развита А. Эйнштейном в 1920 г. [5]. По-видимому, аналогичные явления происходят и при распространении ультразвука в некоторых жидкостях. [c.429] Измерения дисперсии и поглощения ультразвука служат одним из важнейших методов изучения релаксационных процессов и экспериментального определения времен релаксации. Этому вопросу посвящена большая литература ), и мы не будем здесь подробно его обсуждать. Остановимся только на основных физических особенностях и закономерностях явления. [c.429] Дисперсия звука в релаксирующем веществе всегда сопровождается повышенным поглощением, которое значительно превышает ес.зствен-ное поглощение за счет обычной вязкости и теплопроводности. В звуковой волне частица вещества совершает последовательные цикт пеские превращения, возвращаясь по окончании каждого цикла к исходному состоянию. Если в частице протекают внутренние неравновесные процессы, то они неизбежно приводят к повышению энтропии, диссипации механической энергии, т. е. к поглощению звука. Следует подчеркнуть, что при наличии диссипации состояние частицы по окончании цикла несколько отличается от начального (так как энтропия ее повышается). [c.429] Этот график можно рассматривать как распределение плотности по координате в данный момент времени или же как закон изменения плотности в данной частице газа во времени. То же относится и к рис. 8.3, б, на котором показан соответствующий профиль температуры (или давления профили температуры и давления в данном случае подобны друг другу). [c.431] Будем следить за изменением состояния газовой частицы в волне как на диаграмме р, V рис. 8.2, так и на рис. 8.3, а ж б. При очень быстром сжатии газа от точки А до точки В состояние его меняется вдоль замороженной адиабаты II. При этом энтропия не меняется, над газом совершается положительная работа, численно равная площади НАВМ. Температура и давление газа резко возрастают, а колебательная знергия остается неизменной, соответствующей старой, низкой температуре. Затем в течение некоторого времени плотность газа остается неизменной (переход В С). Происходит возбуждение колебаний, часть знергии отбирается от поступательных и вращательных степеней свободы, температура и давление понижаются, энтропия возрастает (см. формулу (8.12) Т, ёек1й1 О, 0). [c.431] Поскольку объем газа не меняется, работа в период перехода В С не совершается. [c.431] Таким образом, в стадии расширения С В газовая частица совершает над окружающим газом меньшую работу, чем была совершена окружающим газом над нею в стадии сжатия А В частица возвращает назад работу не полностью. Часть затраченной в период сжатия энергии навсегда остается в ней. [c.431] Эта энергия, численно равная разности работ, т. е. площади фигуры АВСВ, и представляет собой механическую энергию, необратимо перешедшую в тепло. В соответствии с диссипацией механической энергии ослабляется (поглощается) и звуковая волна, причем поглощение энергии звука за период (или на длине волны) как раз равно площади АВСВ. [c.431] При малых частотах V (или круговых частотах со = 2яу) эллипс вытянут вдоль равновесной адиабаты (см. фигуру 1 на рис. 8.4). Толщина его в пределе малых частот пропорциональна частоте (первому члену разложения по малой величине со). Энергия звука, поглощаемая за период, пропорциональна со, а за единицу времени — еще и числу циклов, т. е. со . При больших частотах эллипс вытянут около замороженной адиабаты (фигура 2). Толщина его пропорциональна 1/(й (первому члену разложения по малой величине 1/(й), а поглощение в единицу времени пропорционально (й 1/(й, т. е. не зависит от частоты. Наибольшее поглощение за период происходит в промежуточном случае, когда частота-порядка обратного времени релаксации. Эллипс при этом имеет наибольшую толщину (фигура 3) эта толщина порядка вертикального расстояния между равновесной и замороженной адиабатами при максимальном изменении давления, равном амплитуде волны (расстояние между точками и на рис. 8.4). [c.432] Если относительная разность равновесного и замороженного показателей адиабаты велика (именно ею характеризуется угол между адиабатами / и II, т. е. расстояние QQ ), то толщина эллипса может даже стать порядка его длины. [c.432] Этому соответствует большой сдвиг, порядка я/2, по фазе между давлением и плотностью (если бы эллипс превратился в круг, сдвиг по фазе стал бы точно равным я/2). [c.432] Вернуться к основной статье