Поглощение звуковых волн в жидкостях и газах

Поглощение интенсивных звуковых колебаний в жидкостях и газах существенно отличается от уже рассмотренного нами выше поглощения слабых звуков. Если при распространении слабых звуков поглощенная доля энергии не зависит от интенсивности звука, то для мощных звуков эта доля растет с увеличением интенсивности. Поглощенная энергия растет с увеличением интенсивности не только абсолютно, но и относительно. Кроме повышенного поглощения, при высокой интенсивности начинает изменяться и форма звуковой волны. Ее верхушка всегда бежит чуть-чуть быстрее, чем впадина , потому что местоположению верхушки соответствует уплотненная самим же звуком среда, в которой скорость распространения больше, а местоположение впадины — разреженная, где скорость распространения меньше. При слабых звуках эта разница ничтожна и не оказывает никакого влияния. Для интенсивных же звуков это различие оказывается существенным, и верхушки начинают понемногу догонять впадины. Вместо плавной синусоидальной кривой распространяющаяся волна принимает пилообразный вид (рис. 5). [c.19]

Распространение звуковых волн в взвесях представляет собой в основном явление переноса количества движения. К техническим применениям данной проблемы относятся поглощение звука в дисперсной системе, образованной газом и твердыми частицами или жидкими каплями, определение среднего размера частицы, а также задачи усиления и поглощения звука [361]. Вызывает также интерес с.лучай распространения звука в жидкости, содержащей большое число газовых пузырей, что существенно для военных подводных лодок. [c.255]

Все особенности поглощения в реальных жидкостях и газах объясняет релаксационная теория поглощения, основанная иа представлении о распространении звука как о неравновесном процессе структурных, химических, термических и других изменений, происходящих в звуковой волне. Макроскопическим проявлением этих процессов является дополнительное затухание за счет объемной вязкости. При этом все релаксационные эффекты, наблюдаемые на опыте, полностью могут быть объяснены релаксацией объемной вязкости. [c.379]

Точное решение для плоской синусоидальной волны конечной амплитуды, распространяющейся в газах и жидкостях без учета диссипации, было получено Риманом более 100 лет назад. Однако экспериментальное обнаружение искажения формы волны и измерения амплитуды второй гармоники (ее зависимость от расстояния, нелинейного параметра, начальной интенсивности, частоты и др.) были сделаны сравнительно недавно. Л. Л. Мясников [13] экспериментально исследовал явление искажения в трубе, заполненной газом, создавая в ней интенсивные звуковые плоские синусоидальные волны. В жидкостях первые эксперименты для плоских синусоидальных волн достаточно большой интенсивности были проведены на ультразвуковых частотах в работах [14, 15]. Было обнаружено искажение формы синусоидальной у излучателя звуковой волны по мере ее распространения и превращение ее (при определенных интенсивностях) в слабую периодическую пилообразную ударную волну, а также возникающее при этом нелинейное поглощение. Было показано, что нелинейные свойства жидкости играют существенную роль при распространении даже не слишком интенсивного звука вопреки распространенному представлению о несущественности [c.72]

Важное значение (особенно в газах) имеют термические механизмы поглощения звука. В звуковой волне места сжатия имеют повышенную температуру (по сравнению со средней температурой среды), а места разрежения — пониженную это — результат адиабатического нагревания и охлаждения. В реальной жидкости измененные температуры частично выравниваются путем теплопроводности и путем теплоизлучения. Теплопроводность — нелокальный механизм обмена теплом между смежными участками среды. Теплопроводность выравнивает температурные неравномерности волны, имеющие (как и скорости частиц среды при вязком выравнивании скоростей) масштаб длины звуковой волны. Теплоизлучение выравнивает температурные разности между данным нагретым или охлажденным участком и средой в целом. Выравнивание происходит путем испускания и поглощения электромагнитных волн. В отличие от механизмов сдвиговой вязкости и теплопроводности, теплоизлучение — локальный механизм релаксационного типа каждый элемент среды излучает или поглощает тепло независимо от соседних, единственно в меру отличия его температуры от средней температуры среды. [c.394]

Нормальные волны в трубах. Трубы являются волноводами для акустических волн, распространяющихся в содержащихся в трубах средах - жидкостях и газах, благодаря чему волны могут распространяться без геометрического расхождения, часто на большие расстояния, определяемые поглощением звуковых волн. При этом распространяются только нормальные волны, характерные для данного волновода (трубы), причем могут распространяться несколько нормальных волн одновременно. Разные нормальные волны различаются [c.57]

Когда идет речь о поглощении плоской звуковой или ультразвуковой волны в газе или жидкости, то обычно при этом имеется в виду поглощение энергии волны из-за действия вязкости и теплопроводности среды. Для неметаллических жидкостей теплопроводность играет значительно меньшую роль и ее можно не учитывать. Тогда коэффициент поглощения определяется формулой Стокса (см. стр. 87) [c.290]

Механизм поглош,ения звука пузырьками воздуха в воде достаточно сложен. Это поглощение вызывается многими причинами, но основными из них можно считать две во-первых, отвод тепла от пузырька к жидкости при периодических изменениях объема пузырька, которые он испытывает под действием проходящей звуковой волны, и, во-вторых, рассеяние части энергии звуковой волны за счет того, что пузырек при своих пульсациях сам становится излучателем звука. Это излучение, или рассеяние, происходит по всем направлениям благодаря малым размерам пузырька. Механизм поглощения звука пузырьками воздуха во многом аналогичен механизму релаксационного поглощения звука в многоатомных газах, который мы кратко разобрали в пятой главе. [c.329]

При малых интенсивностях скорость акустического течения пропорциональна интенсивности ультразвука и квадрату частоты. Отметим также, что и тем больше, чем меньше плотность среды и чем меньше скорость звука в среде. По этой причине в газах, где рис малы (по сравнению с жидкостями), с акустическим течением приходится считаться уже при низких звуковых частотах, тогда как в жидкости заметное течение возникает только на ультразвуковых частотах. Физический механизм образования акустического течения можно себе представить, если считать (такой точки зрения придерживается большинство авторов), что оно возникает в случае плоских волн благодаря градиенту радиационного давления в жидкости, вызванному поглощением ультразвуковых волн. Возникающий вследствие поглощения перепад (градиент) радиационного давления приводит жидкость в движение. С этой точки зрения скорость акустического ветра должна была бы быть пропорциональной коэффициенту поглощения ультразвука, что и получается из теории. [c.373]

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]

Сравнение с опытом показывает, что в одноатомных газах п жидкостях, внутренние степени свободы которых не возбуждаются при данной температуре, экспериментальные значения коэффициента поглощения хорошо согласуются с теоретическими, полученными по формуле (2). Однако в ряде таких многоатомных газов, как окись углерода, водород, а также в некоторых жидкостях (вода, бензол) частотный ход коэффициента поглощения отличен от квадратичной зависимости, предсказываемой формулой (2). Эти аномалии поглощения объясняются релаксационными эффектами при сжатии или расширении среды, вызванном звуковой волной (как и при всяком другом быстром изменении состояния), в среде может нарушиться термодинамическое равновесие, в результате чего развиваются необратимые процессы восстановления равновесия, сопровождаемые диссипацией энергии и приводящие к аномальному затуханию звука [1, 2]. [c.8]

Далее, поскольку распределение по степеням свободы энергии сжатия, сообщаемой среде звуковой волной, отличается от термодинамически равновесного распределения, то при повышении частоты наблюдается уменьшение эффективной сжимаемости (см., например, фиг. 360) и, следовательно, увеличение скорости звука (дисперсия звука). Наконец, на еще более высоких частотах приток энергии во внутренние степени свободы прекращается, скорость звука снова перестает зависеть от частоты, и молекулярное поглощение, рассчитанное на длину волны, стремится к нулю. Хорошее совпадение экспериментально полученных значений а/р для одноатомных жидкостей, как например для ртути или для сжиженных газов (аргон, кислород, азот или гелий), со значениями, рассчитанными по классической теории, а также их независимость от частоты подтверждают справедливость этих рассуждений. Наряду с этой чисто термической релаксацией в жидкости может иметь место и структурная релаксация вследствие сравнительно медленного установления равновесия между упорядоченными и неупорядоченными областями, приводящая к аномалии поглощения звука. [c.301]

При исследовании поглощения звука в газах основным источником ошибок является наличие потока газа, так называемого звукового ветра , вызываемого колебаниями кварцевой пластинки. Акустический ветер может совершенно исказить изучаемое явление и привести к определению заведомо ложных значений коэффициентов затухания. Освободиться полностью от искажающего действия акустического ветра чрезвычайно трудно. В случае жидкостей для уничтожения влияния потоков жидкости, вызываемых колебаниями кварцевой пластинки, применяют тонкие перегородки, которыми отделяют приёмники звукового давления от излучателя ультразвуковых волн [56]. В этих случаях приходится учитывать также возможность искажения измеряемых величин под действием волн, отражённых от приёмника звукового давления, которые после повторного отражения от стенок кюветы могут вновь упасть на приёмник. Отражённые волны, упавшие на приёмник, при- [c.82]

ОБЪЁМНАЯ ВЯЗКОСТЬ (вторая вязкость), величина, феноменологически характеризующая процесс диссипации энергии при объёмных деформациях среды. В отличие от обычной стоксовой, или сдвиговой, вязкости, характеризующей необратимую передачу энергии поступат. движения среды от одних слоёв к другим, О. в. характеризует квазиравновесный обмен энергией между поступат. и внутр. степенями свободы в каждой ч-це в-ва, т. е. релаксац. процесс (см. Релаксация акустическая). О. в. проявляется, напр., при распространении звуковых и особенно УЗ волн в жидкостях и газах. Величина коэфф. о. в. так же, как и коэфф. сдвиговой вязкости г , определяет величину поглощения звука. Если при распространении звука равновесное состояние среды практически не нарушается, что справедливо, когда время релаксации очень мало по сравнению с периодом звук, волны, то коэфф. О. в. не зависит от частоты. Если же при распространении звука термодинамич. равновеспе нарушается, то принимает аномально большие значения и становится ф-цией частоты звука. [c.482]

Коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения бп и рассеяния бр б = бп+бр. При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии эцергия остается звуковой, но уходит из направленно распространяющейся волны в результате отражений от неоднородностей среды. В газах и жидкостях, не засоренных взвешенны ми частицами, рассеяние отсутствует, и затухание определяется поглощением [4] Коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В связи с этим в качестве характеристики поглощения звука в жидкостях и газах вводят величину б//2. [c.25]

М. а. как самостоят. раздел акустики возникла в 30-х гг. 20 в., когда было выяснено, что процессы коле-бат. релаксации (см. Релаксация акустическая) в газах вносят существенный вклад в поглощение звука и приводят к появлению дисперсии звука. В дальнейшем было выяснено, что эти процессы играют важную роль при распространении звука не только в газах, но и в жидкостях и в др. веществах. Изучение релаксац. процессов в звуковой волне позволило связать нек-рые свойства вещества на молекулярном уровне, а также кинетич. характеристики молекулярных процессов с такими макросконич. величинами, как скорость и коэф. поглощения звука. [c.193]

Подводя итог, можно сказать, что поглощение волн конечной амплитуды существенно отличается от поглощения волн малой амплитуды. Это различие заключается не только в том, что поглощение волны конечной амплитуды неэксиоиенциально (и, следовательно, коэффициент поглощения зависит от координат), но также и в том, что оно при больших числах Рейнольдса намного превосходит поглощение волн малой амплитуды. Хотя поглощение и определяется вязкостью и теплопроводностью, коэффициент поглощения пилообразных волн в явном виде не зависит от этих характеристик среды. В области больших звуковых интенсивностей газы и жидкости мановятся значительно менее прозрачными для звука, чем в области малых интенсивностей. [c.121]

Возникает естественный вопрос где же находится верхняя граница ультразвуков, т. е. какова частота самых высоких ультразвуков Ответ на этот вопрос можно дать, если исходить из следующих соображений. При распространении звуковых волн часть их энергии поглощается средой, в которой они распространяются. Величина этой поглощенно] доли зависит от свойств среды. Как правило, больше всего энергии поглощается в газах, меньше в жидкостях и еще меньше в твердых телах, в частности в металлах, кристаллах кварца и т. д. При этом поглощение всегда возрастает с увеличением частоты колебаний, т. е. высоты звука. Хорошим примером, подтверждающим это положение, является звучание удаляющегося оркестра с увеличением расстояния сначала пропадают высокие звуки флейт и кларнетов, затем средние — корнетов и альтов, и, наконец, на значительных расстояниях слыншн только большой барабан. Самые низкие звуки распространяются на самые далекие расстояния. [c.10]

Методы измерения П. з. разнообразны и зависят от вещества, в к-ром П. 3. измеряется, диапазона частот и величины коэфф. П. з. Во всех методах измерения важно выделить истинное поглощение и отделить его от других явлений, приводящих к уменьшению амплитуды звука, таких, как сферич. расхождение, дифракционные эффекты, рассеяние (см. Затухание звука), а также потери на склейках и пр. Основные группы методов измерения П. з. методы, основанные на измерении радиационного давления звука или же непосредственном измерении амплитуды звуковой волны в зависимости от расстояния (часто используется в жидкостях), метод УЗ-вого интерферометра (используется в газах при измерении на высоких частотах), метод реверберации (используется на низких частотах), оптич. метод, калориметрич. метод и импульсный метод. Из всех перечисленных методов импульсный является наиболее точным и универсальным. Он позволяет измерять поглощение с точностью до нескольких процентов. [c.263]

МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА — раздел физ. акустики, в к-ром структура и свойства вещества и кинетика молекулярных процессов исследуются акустич. методами. Осн. методы М. а.— измерения скорости, звука и козф. поглощения звука в зависимости от разл. физ. параметров частоты звуковой волны, темп-ры, давления, маги, поля и др. величин. Исследования, проводимые такими методами, иногда объединяют в особый раздел экснерим. акустики — ультразвуковую или акустическую спектроскопию. Методами М. а. можно исследовать газы, жидкости, полимеры, твёрдые тела, плазму. На ранней стадии развития этой области и в нек-рых случаях до сих пор термин М. а. применяют лишь к исследованиям молекулярной структуры газов а жидкостей. [c.193]

Простейший видР. а.— релаксация внутримолекулярного возбуждения, или квеэеровская релаксация. Такая Р. а. происходит, напр., в двухатомных и многоатомных газах, где энергия поступат. движения молекул в звуковой волне переходит в энергию, связанную с колебат. и вращат. степенями свободы молекул, т. е. изменяется заселённость вращат. и колебат. уровней. Др. виды Р. а. структурная релаксация в жидкостях, при к-рой акустич. волна инициирует изменение ближнего порядка в расположении молекул жидкости хим. релаксация, при к-рой под действием звука сдвигается равновесие в хим. реакции. В твёрдом теле звуковая волна нарушает равновесное распределение фононов, что приводит к релаксац. процессам, определяющим решёточное поглощение звука. Один из видов Р. а. в твёрдом теле — релаксация разл. дефектов кристаллической решётки — как точечных, так и линейных дислокаций), связанная с движением дефектов под действием механич. напряжений в упругой волне. При распространении звука в полупроводниках и металлах нарушается равновесное распределение электронов проводимости, что также приводит к релаксации, а следовательно, к дополнит, поглощению звука. [c.328]

Измерение скорости и поглощения ультразвука. В предыдущих главах мы познакомились с основными методами точного измерения скорости звука и ультразвука в газах и жидкостях — интерференционным и импульсным. Интерференционный метод, кроме того, подразделялся нами на метод интерферометра с бегущей волной и интерферометра со стоячими волнами. Эти методы давали возмои юсть определить также и поглощение звуковых и ультразвуковых волн. [c.385]

В свободном неоднородном звуковом поле в отсутствие препятствий и границ радиационные силы вызывают движение газа и жидкости. Импульс волны, передаваемый за счет поглощения звука в среде, идет на образование течения. В начальной стадии после включения звука происходит ускорение среды, приводящее к установлению стационарного движения газа или жидкости. Это движение называют акустическим течением или акустическим ветром. На рис 5.3 показан характер акустического течения на частотах ультразвукового диапазона (несколько МГц). Такое течение принято называть эккартовским, поскольку его теория была развита Эккар-том 120]. Как видно из рисунка, излучающая пьезоэлектрическая пластинка занимает только частьповерхности кюветы, заполненной жидкостью. При включении звука жидкость в сосуде начинает приходить в движение. Его нетрудно наблюдать, если поместить в жидкость немного алюминиевого порошка и сбоку осветить жидкость через прозрачную стенку кюветы. По прошествии некоторого времени движение жидкости устанавливается и имеет вид течения с противотоком. Такое акустическое течение было бы невозможно, если бы пьезопластинка закрывала всю левую поверхность кюветы (или трубы), так как тогда не было бы противотока жидкости и не выполнялся бы закон сохранения массы. Однако, вообще говоря, в случае неоднородного распределения амплитуды по фронту волны незначительное акустическое течение в принципе возможно, а вблизи стенок, в пограничном слое, оно возникает и в случае однородного по фронту звукового поля (см. ниже). Из рис. 5.3 следует, что масштаб вихрей эккартовского течения порядка объема кюветы и он существенно больше длины звуковой волны X радиус ультразвукового пучка также значительно больше X. [c.135]

Характерный механизм акустич. Р. в газах — обмен энергией меледу поступательными и внутренними степенями свободы молекул. Р. может быть колебательной и вращательной, ири этом звуковая энергия расходуется на возбуждение соответственно колебательных и вращательных степеней свободы молекул. Другие виды Р. в газах и жидкостях электронная, при к-рой возбуждаются электронные уровни структурная, при к-рой под действием УЗ происходит перестройка внутренней структуры жидкости химическая, при к-рой под действием УЗ протекают химич. реакции, и т. п. Акустич. Р. возможна и в твёрдых телах напр., при распространении УЗ в иолуироводниках и металлах акустич. волна нарушает равновесное распределение электронов проводимости, что приводит к поглощению волны (см. Взаимодействие ультразвука с электронами проводимости). [c.304]

Наряду с уже упомянутыми теориями существует еще ряд попыток объяснения аномально высокого коэффициента поглощения. Так, например, по мнению Паршада 11515], в жидкостях, где отдельные молекулы расположены значительно ближе, чем в газах, давление, создаваемое звуковой волной, обусловливает взаимное нарушение электронных оболочек молекул, что приводит к внутримолекулярным колебаниям и тем самым к поглощению энергии. [c.304]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...