Скорость звука в твёрдых телах

Скорость звука в твёрдых телах. В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) упругие волны. В изотропном твёрдом теле фазовая скорость для продольной волны [c.547]

Здесь й — круговая частота и — волновой вектор упругой волны связаны между собой соотношением й = Кс , а Сзв— скорость звука (в твёрдом теле может фигурировать скорость как продольной, так и поперечной упругой волны). [c.206]

Скорость звука в твёрдых телах. [c.328]

Измерение скорости звука в твёрдых телах—экспериментально более сложная задача, нежели измерение скорости в телах газообразных или жидких. [c.100]

Для определения скорости звука в твёрдых телах можно воспользоваться измерением частот собственных колебаний тел определённых размеров и формы. Обычно измеряют частоту собственных колебаний стержня, изготовленного из исследуемого материала. Частота собственных продольных колебаний / свободного стержня определяется из уравнения [c.100]

Для определения скорости звука в твёрдых телах можно воспользоваться описанным выше импульсным методом [17, 232]. На рис. 73 изображена одна из схем измерения скорости ультразвука этим методом. [c.104]

Недавно был разработан метод [328] определения скорости звука в твёрдых телах, использующий интерференцию двух звуковых лучей, распространяющихся в стандартной жидкости, причём на пути одного из них располагается исследуемый образец, в то время как второй проходит весь путь в жидкости. [c.227]

Рис. 129. Схема установки для определения скорости звука в твёрдых телах.

Как отмечалось выше, для определения скорости звука в твёрдом теле можно воспользоваться изучением особенностей прохождения ультразвука через пластинки из исследуемого вещества. При нормальном падении ультразвуковой волны на пластинку волна частично отражается от первой её поверх- [c.233]

Эффекты акустоэлектронного взаимодействия. На опыте АЭВ проявляется либо непосредственно как эффект увлечения носителей заряда акустич. волной, либо в виде зависимости параметров акустич. волны (её скорости, коэф. поглощения и др.) от концентрации носителе проводимости, величины внеш. электрич. и магн. полей. АЭВ — одна из причин дисперсии звука в твёрдых телах. Получая в процессе АЭВ энергию, электроны рассеивают её при столкновениях с дефектами и тепловыми фононами, обусловливая электронное поглощение УЗ. Зависимость коэф. поглощения от частоты при этом может отличаться от квадратичной, предсказываемой классич. теорией (см. Поглощение звука). В полупроводниках в сильном электрич. поле поглощение звука сменяется его усилением. Усиление электрич. иолом НЧ-фононов (акустич. шумов) приводит к развитию электрич, неустойчивости в полупроводниках и возникновению акустоэлектрических доменов. АЭВ является источником электронной акустич. нелинейности, к-рая обусловливает зависимость от электронных параметров амплитуд акустич. волн, возникающих в результате нелинейного взаимодействия, эффекты электроакустического эха в полупроводниках и др. [c.56]

Здесь р и Z) — плотности жидкого гелия и твердого тела, с и с (— скорость звука в гелии и скорость поперечного звука в твёрдом теле, F — ф-цпя упругих констант сред (порядка единицы). [c.241]

О. 3. от границы твёрдого тела [1— 3, 5—7]. Характер отражения усложняется, если отражателем является твёрдое тело. Когда скорость звука с в жидкости меньше скоростей продольного j, и поперечного су звука в твёрдом теле, при отражении на границе жидкости с твёрдым телом возникают два критич. угла продоль- [c.505]

Рис. 71. Схема определения скорости и затухания звука в твёрдых телах с помош,ью изучения колебаний составного вибратора.

Под действием Д. в. существенно меняются механич. свойства веществ. Так, в твёрдых телах и газах в отсутствие фазовых превращений скорость звука монотонно возрастает (в жидкостях наблюдаются более сложные зависимости). В металлах при увеличении до 1 ГПа скорость звука возрастает на 10 %, в ионных кристаллах — до 30 %, в газах — в неск. раз. С увеличением [c.551]

Для получения полного отражения от зеркала необходимо, чтобы акустическое сопротивление материала зеркала рс) было значительно больше, чем акустическое сопротивление среды (рс) , поскольку коэффициент отражения при этом приближается к единице. (Суш,ественно именно различие в величинах рс зеркала и среды сами же значения плотности материала зеркала и скорости звука в нём в отдельности роли не играют.) В воздухе это требование легко удовлетворяется благодаря малому (рс) воздуха и большому (рс) твёрдых тел, из которых делаются зеркала. Если же средой является вода, то для увеличения коэффициента отражения от зеркала часто применяются зеркала из двух слоёв твёрдого тела, между которыми имеется воздушный промежуток (см., например, рис. 220). [c.304]

Акустические линзы. В отличие от оптики, где коэффициент преломления всех материалов, из которых могут быть изготовлены линзы, всегда больше единицы (поскольку скорость света в воздухе больше, чем в любых прозрачных твёрдых или жидких телах), в акустике коэффициент преломления материалов может быть как больше, так и меньше единицы. При и 1 (скорость звука в материале линзы меньше, чем в среде) собирающие линзы так же, как и в оптике, всегда выпуклые, рассеивающие линзы — вогнутые (рис. 196). При л< 1 картина оказывается обратной выпуклые линзы будут рассеивающими, а вогнутые — собирающими. [c.306]

УЗ-вые волны затухают значительно быстрее, чем волны более низкочастотного диапазона, т. к. коэфф. классического поглощения звука (на единицу расстояния) пропорционален квадрату частоты. В низкочастотной области коэфф. релаксационного поглощения также растёт пропорционально квадрату частоты, однако при повышении частоты этот рост замедляется и коэфф. поглощения стремится к постоянной величине. Область, где наблюдается такое изменение хода коэфф. поглощения, наз. релаксационной, а средняя её частота — частотой релаксации. Величина, обратная частоте релаксации,— время релаксации — характеризует процесс перераспределения энергии внутри вещества. Помимо характерного хода коэфф. поглощения УЗ, в релаксационной области наблюдается рост скорости звука с частотой — дисперсия, обусловленная физич. процессами в веществе и отличающаяся от дисперсии скорости звука, характерной для любых частот и связанной с геометрич. условиями распространения волны. Дисперсия УЗ в релаксационных областях обычно не превышает нескольких процентов. В многоатомных газах релаксация связана с обменом энергии между поступательными и внутренними степенями свободы, и характерные частоты лежат в среднем и даже низкочастотном диапазонах. В жидкостях к основным релаксационным процессам относятся, напр., внутримолекулярные превращения, структурная и химич. релаксации соответствующие частоты лежат чаще всего в области частот 10 —10 Гц. В твёрдых телах имеются релаксационные процессы различной природы, обусловленные, напр., взаимодействием ультразвука с электронами проводимости, со спиновой системой (см. Спин-фононное взаимодействие), С колебаниями кристаллической решётки. Влияние этих процессов проявляется в частотной зависимости поглощения УЗ. Резонансные явления типа акустического парамагнитного резонанса (область частот 10 —11 Гц) и акустического ядерного магнитного резонанса (10 —10 Гц) дают соответствующие пики поглощения. Резонансный характер может иметь также и дислокационное поглощение в кристаллах. Все эти особенности поглощения УЗ в твёрдых телах обусловлены взаимодействием УЗ-вых и гиперзвуковых волн с внутренними возбуждениями в твёрдых телах. Возникновение же такого взаимодействия связано с тем, что средние и высокие УЗ-вые частоты становятся сравнимы с характерными частотами процессов в веществе на молекулярном и атомном уровне, а длины волн сравнимы с параметрами внутренней структуры вещества. Последнее обстоятельство объясняет также увеличение рассеяния упругих волн на УЗ-вых частотах, наблюдаемое в микронеоднородных средах, в поликристаллич. телах сечение рассеяния на неоднородностях возрастает, если их размеры становятся порядка длины волны.. Связь характера распространения УЗ и, в частности, его высокочастотной области — гиперзвука — со структурой вещества и элементарными возбуждениями в нём является одной из важнейших особенностей УЗ-вых волн. Она позволяет судить о строении вещества на основании измерений скорости и погло- [c.11]

При распространении звука в жидкости с газовыми пузырьками или же в твёрдом теле при наличии дислокаций наблюдается Д. с. з. резонансного типа. Сильное взаимодействие между звуковой волной и этими неоднородностями осуществляется, когда частота звуковой волны близка к резонансной частоте пульсации пузырька пли движения дислокации. Зависимость скорости УЗ от частоты (О для твёрдого тела с дислокациями описывается выражением [c.123]

Представление об И. з. используют в теории дифракции звука, выражая дифрагированное поле в виде суперпозиции полей от вторичных источников. И. 3. применяют для измерения длины волны звука (а следовательно, и скорости звука) при помощи звуковых интерферометров. И. з. имеет место также и для сдвиговых волн в твёрдом теле, однако в этом случае интерферируют только волны с одинаковой поляризацией (одинаковым направлением смещения частиц). [c.151]

При наличии релаксационных процессов энергия поступательного движения молекул в звуковой волне перераспределяется на внутренние степени свободы. При этом появляется дисперсия скорости звука, а зависимость коэфф. поглош,ения на длину волны от частоты имеет в этом случае максимум на нек-рой частоте, наз. частотой релаксации. Величина дисперсии скорости звука и величина максимального коэфф. поглощения зависят от того, какие именно степени свободы возбуждаются под действием звуковой волны, а частота релаксации, равная обратному значению времени релаксации, связана со скоростью обмена энергией между различными степенями свободы. Т. о., измеряя скорость звука и поглощение в зависимости от частоты можно судить о характере молекулярных процессов и о том, какой из этих процессов вносит основной вклад в релаксацию. Этими методами можно исследовать возбуждение колебательных и вращательных степеней свободы молекул в газах и жидкостях, процессы столкновения молекул в смесях различных газов, установление равновесия при химич. реакциях, перестройку молекулярной структуры в жидкостях, процессы сдвиговой релаксации в очень вязких жидкостях и полимерах, различные процессы взаимодействия звука с элементарными возбуждениями в твёрдых телах и др. [c.220]

Если принять в качестве рабочей гипотезы определение жидкого состояния, предложенное впервые Бриллюэном [146 и использованное в дальнейшем многими исследователями 147], согласно которому жидкость отличается от соответствующего твёрдого тела отсутствием модуля сдвига, то можно представить распространение плоской волны в жидкости происходящим как бы вдоль одномерного кристалла. В этом случае удаётся получить выражение для скорости звука в виде функции от плотности жидкости и величин, определяющих силовое поле молекул [148. [c.161]

Определяя экспериментально значения 5, и 2 и зная скорость звука в жидкости, можно определить скорость продольных и сдвиговых волн в исследуемом твёрдом теле, воспользовавшись соотношениями [c.229]

Максимумы скорости звука в растворах, природа 210 Метод измерения изменений скорости звука 79 Методы измерения скорости и поглощения ультразвука в газах, жидкостях и твёрдых телах 62, 224 и д. [c.321]

При взаимодействии с вихревыми течениями, образующимися при отрывном обтекании твёрдых тел, звук может поглощаться или усиливаться. Напр., струя, вытекающая из отверстия в перегородке, эффективно поглощает звук. Струя, обдувающая отверстие по касательной, при определ. соотношениях между скоростью струи, размерами отверстия и частотой звука может усиливать звук. Этим объясняется, в частности, процесс генерации звука в духовых музыкальных инструментах типа флейты. Усиление звука возможно и в свободном пространстве — при отражении от границы между покоящейся средой и средой, движущейся со сверхзвуковой скоростью (напр., от границы сверхзвуковой струи). [c.42]

Измерение скорости звука в твёрдых телах позволяет определять упругие и прочностные характеристики конструкционных материалов. Напр., измерение скорости продольных и поперечных УЗ-вых волн в поликристаллич. материалах даёт возможность получить численные значения модуле упругости, а в монокри-сталлических — ещё и констант упругой анизотропии. Такие измереш я, проведённые в условиях одноосного и всестороннего сжатия, позволяют определять модули упругости 2-го и 3-го порядков. Частотные зависимости скорости звука используют для изучения различных физич. явлениГ и взаимо- [c.166]

Трудность измерений скорости звука в твёрдых телах импульсным методом при температурах, близких к абсолютному нулю, заключается в обычно имеющем место нарушении контакта между кварцем и исследуемым твёрдым телом, вызванном различием в их коэффициентах термического расширения, Обычные замазки и клеи непригодны для приклеивания кварца в этих условиях. Оказалось удобным воспользоваться Смес >ю эфира, изопе/гтана н этилового спирта в количествах [c.246]

Распространение звуковых волн в среде характеризуется их скоростью (см. Скорость звука). В газообразных и жидких средах распространяются только продольные волны, скорость к-рых определяется сжимаемостью среды и её плотностью. В твёрдых телах иомимо продольных могут распространяться поперечные волны и поверхностные акустические полны скорость волн в твёрдых телах определяется комбинацией их констант упругости и плотностью в кристаллах имеет место анизотропия скорости 3., т. с. зависимость её от направления распространения волны относительно кристаллографич. осей. В ряде случаев наблюдается дисперсия звука, обусловленная как физ. процессами в веществе, так и волноводным характером распространения в ограниченных объёмах. [c.70]

Поглощение звука в твёрдых телах. В твёрдых телах П. з. различно для продольных и сдвиговых волн. Это связано как с различием скорости звука для этих волн, так и с тем, что в П. 3. для продольной и сдвиговой волн могут давать вклад различные механизмы. Для определения коэфф. поглощения в твёрдом теле, как правило, не пользуются ф-лой (1), т. к. в П. 3. здесь могут давать вклад многие механизмы, не укладывающиеся в простую схему, на основании к-рой выведена эта ф-ла. П. з. в твёрдых телах определяется в основном внутренним трением и теплопроводностью среды, а на высоких частотах и при низких темп-рах — различными процессами взаимодействия УЗ-вых и гиперзвуковых волн с внутренними возбуждениями в твёрдом теле, такими, как тепловые колебания решётки, электроны, спиновые волны и пр. На поглощение сдвиговых волн в однородных твёрдых телах теплопроводность и другие объёмные эффекты не влияют, т. к. сдвиговые волны не связаны с пзменением объёма. [c.260]

Методами А, с. пользуются в молекулярной акустике при исследовании газов и жидкостей. Анализ частотных зависимостей параметров распространения УЗ в твёрдых телах позволяет определить экстремальные диаметры ферми-поеерхностей и эфф. массы электронов, выявить несовершенство кристаллич. решёток, дислокации, домены, кристаллиты и т. п. Дополнит, информация о структуре исследуемого вещества может быть получена при изменении внеш. услови11 темп-ры, давления, напряжённости электрич. и магн, полей, освещённости, интенсивности проникающих излучений и т. п. В таких исследованиях, как правило, определяют не абс. значения параметров распространения, а их относит, изменения, при этом эти ивмерения на один-два порядка точнее абс. измерений. Такой подход позволяет, нанр,, проводить исследования слабых растворов биополимеров, где требуется разрешающая способность 10 —10 при измерениях приращений скорости звука, в то время как при измерении абс. значения скорости может быть достигнута точность 10 —10 . Аналогично при измерении относит, приращений коэфф. затухания может быть достигнута точность (2—5 -10 , при этом значения абс. величины измеряются с точностью (2—5)-10 . [c.43]

Ударные волны, о которых, мы говорили в 6 главы шестой, могут возникать н распространяться не только в газах, но и в жидкостях и твёрдых телах. В отличие от газов в жидкостях в практически встречающихся случаях скорость движения тел не превосходит скорости распространения звука. Действительно, скорость звука в воде примерно равна 1500 M eK, т. е. в 4,5 раза больше, чем в воздухе, тогда как достигнутое скорости движения тел в воде значительно меньше, чем достигнутые скорости движен1 я тел в воздухе. Поэтому с ударными волнами, возипкающпыи при обтекании жидкостью тела со сверхзвуковой скоростью, не приходится пока встречаться. Но при взрывах в жидкости, например в воде, а также при других внезапных изменениях давлений и здесь образуются ударные волны. Ударные волны, возникающие в воде, благодаря большой плотности воды, приблизительно в 800 раз большей, чем плотность воздуха, а также благодаря большой скорости звука в воде имеют большие интенсивности. При резкой остановке течения воды в водопроводных трубах, в подводящих системах гидравлических турбин и в ряде других случаев образуются мгновенные повышения давления — возникает ударная волна. Это явление носит название гидравлического удара. Гидравлический удар может привести к серьёзным авариям в различных трубопроводах. [c.280]

УЗ-вые методы, основанные на измерениях скорости и затухания звука, широко используются в технике для определения свойств и состава веществ и для контроля технологич. процессов (см. Контрольно-измерительные применения ультразвука). По скорости звука определяют упругие и прочностные характеристики металлич. материалов, керамики, бетона, степень чистоты материалов, наличие примесей. Измерения скорости и поглощения в жидкостях позволяют определить концентрацию растворов, следить за протеканием химич. реакций и других процессов, за ходом полимеризации. В газах измерения скорости звука дают информацию о составе газовых смесей. При УЗ-вых измерениях в твёрдых телах используют частоты 10 —10 Гц, в жидкостях — до 10 Гц, в газах — не выше 10 Гц выбор частотных диапазонов соответствует поглощению УЗ в этих средах. Точность определения состава веществ, концентрации примесей УЗ-выми методами высока и составляет доли процента. По изменению скорости звука или по Доплера эффекту в движущихся жидкостях и газах определяют скорость их течения (см. Расходомер). Для исследования свойств веществ используют также методы, основанные на зависимости параметров резонансной УЗ-вой колебательной системы от акустич. сопротивления нагрузки, т. е. от свойств нагружающей её среды. Это т. н. импедансные методы, к-рые применяются в УЗ-вых сигнализаторах уровня, вискозиметрах, твердомерах и т. д. Во всех перечисленных методах измерений и контроля свойств вещеегв применяются весьма малые интенсивности УЗ эти методы требуют малого времени для измерений, легко поддаются автоматизации, позволяют производить дистанционные измерения в агрессивных и взрывоопасных средах и осуществлять непрерывный контроль веществ в труднодоступных местах. [c.17]

В твёрдом теле при очень высоких частотах (со>1012 Гц), когда длхша волны становится сравнимой с расстоянием между атомалпг вещества, ]10является Д. с. з., связанная с дискретной структурой материи (см. Колебания кристаллической решётки). С ростом частоты фазовая скорость звука уменьшается до тех пор, ]юка частота не станет равной нек-рой граничной частоте и волна перестанет распространяться. [c.123]

Применение акустооптич е с к о й дифракции. Д.с. на у. позволяет определять по изменению интенсивности света в дифракционных спектрах характеристики звукового поля (звуковое давление, интенсивность звука и т. п.), практически не возмуш ая поля. С помо-ш,ью Д.с. на у. измеряют поглош ение и скорость ультразвука в дхшпазоне частот от нескольких МГц до нескольких ГГц (в жидкостях) и до нескольких десятков ГГц (в твёрдых телах), модули упругости 2-го и 3-го порядков, упругооптич. и магнитоупругие свойства материалов. Возможность спектрального анализа звукового сигнала акустооптич. методами позволяет исследовать отклонение формы профиля звуковой волны от синусоидальной из-за нелинейных искажений (см. Нелинейные эффекты). Для низкочастотного звука такое отклонение связано с асимметрией в пнтенсив-ностях спектров положительных и отрицательных порядков при дифракции Рамана—Ната. В случае высокочастотного звука нелинейные эффекты проявляются в появлении дифракционных максимумов 2-го и более высоких порядков при брэгговской дифракции. Д. с. на у. применяется для модуляции и отклонения света, в различных устройствах акустооптики (в модуляторах света, дефлекторах, фильтрах). Широко используется Д. с. на у. при оптико-акустич. обработке сигналов, для приёма сигналов в УЗ-вых линиях задержки и др. [c.131]

Если твёрдое тело граничит с жидкостью и скорость звука в жидкости Су меньше скорости с л в твёрдом теле (это справедливо почти для всех реальных сред), то на границе твёрдого тела и жидкости возможно распространение затухающей волны рэле-евского типа. Эта волна при распространении непрерывно излучает энергию в жидкость, образуя в ней отходящую от границы неоднородную волну (рис. б). Фазовая скорость данной поверхностной волны с точностью до процентов равна сц, а коэфф. затухания на длине волны 0,1, т. е. на пути 10Я волна затухает примерно в е раз. Распределение по глубине смещений и напряжений в такой волне в твёрдом теле подобно распределению в рэлеевской волне. [c.255]

Осциллограф регистрирует одновременно момент посылки упругого импульса преобразователем 3 и момент его приёма кристаллическим приёмником 5. Зная расстояние между преобразователем и приёмником и время, прошедшее между посылкой упругого импульса и его приёмом, можно определить скорость звука в жидкости. Поместив на пути у[1ругой волны в жидкости исследуемый образец твёрдого тела 4, измерив время между посылкой и приходом импульса и зная размеры образца, можно вычислить скорость звука в исследуемом твёрдом теле. [c.105]

Для измерения скорости звука в прозрачных изотропных твёрдых телах ) можно воспользоваться изучением диффракции света на ультразвуковой решётке [354]. В результате применения этого метода к изучению распрост[ анения ультразвука с частотою 3—11 мггц в метилметакрилате (плексиглас) в интервале температур от 24 до 90° С было обнарумсено наличие перехода второго рода (244). Как показали измерения, температурный коэффициент скорости при некоторой температуре претерпевает скачкообразное изменение. Сказанное иллюстрирует таблица 42. [c.251]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...