A hangsebesség diszpergálása - egy automatizált internetes adatbázisrendszer
A hangsebesség diszperziója
A hangzás diszperziója (DZ) a monokromatikus hanghullámok fázis sebességétől függő frekvencia függvénye. A DZ az oka a hanghullám alakjának (hangimpulzus) megváltoztatásához, amikor egy médiumban propagál. Különböztesse DZ miatt fizikai tulajdonságai a közeg, és a DZ jelenléte miatt a test határok amelyben a hanghullám szaporodik, és a tulajdonságait a test független.
A DZ első típusa, a táptalaj fizikai tulajdonságainak köszönhetően, a DZ a relaxációs folyamatokhoz kapcsolódik. előforduló a környezetben áthaladása során hang volny.Pri jelenlétében relaxációs folyamatok energia a transzlációs mozgás a molekulák, hogy azok a hanghullám, juttatják el a belső szabadsági fok. A hangsebesség diszperziójának nagysága attól függ, hogy a hanghullám milyen mértékben fokozza a szabadság fokát.
Egy bizonyos frekvenciatartományban, közel a relaxációs frekvenciához, a hangsebesség növekvő frekvenciával növekszik, azaz van egy úgynevezett pozitív diszperzió. Az 1. ábra alatt a DZ grafikonja látható.
A hangsebesség diszperziója
Az 1. ábrán. 1 - alacsony hangfrekvenciájú hangsebesség (), - nagyon magas frekvenciájú hangsebesség (), relaxációs idő.
Az első típusú hang diszperzióját különböző okok okozhatják. A legfontosabb esetek a relaxációs folyamatokkal kapcsolatos hang diszperziója. amely a hanghullám áthaladása közben a közegben előfordul. A relaxációs hang diszperzió megjelenésének mechanizmusa egy poliatomikus gáz példáján tisztázható. Amikor a gáz a gázban propagál, a gázmolekulák transzlációs mozgást végeznek. Ha a gáz monatomiás, akkor a transzformációtól eltekintve a gáz atomjai nem hajthatók végre. Ha a gáz poliatomikus, akkor a molekulák ütközéskor fordulhatnak elő molekulák rotációs mozgása, valamint a molekulát alkotó atomok vibrációs mozgása. Ugyanakkor a hanghullám energiájának egy részét e vibrációs és forgó mozgások gerjesztésére fordítják. A hanghullám (pl. A transzlációs mozgástól) a belső szabadsági fokokig (vagyis vibrációs és forgó mozgásokig) való átmenet nem azonnal történik, hanem egy bizonyos idő elteltével, amelyet úgynevezett relaxációs időnek hívnak. Ezt az időpontot az ütközések száma határozza meg, amelyeknek a molekulák között meg kell jelenniük az energia mindenfajta szabadságának újraelosztása érdekében. Ha a hanghullám időszaka kicsi a t (nagy frekvenciák) képest, akkor a hullámidő alatt a belső szabadsági fokoknak nincs ideje izgatottságra, és az energia újraelosztása nem lesz ideje. Ebben az esetben a gáz úgy viselkedik, mintha egyáltalán nem lenne szabad belső szabadsága. Ha azonban a hanghullám időszaka sokkal nagyobb, mint a t (alacsony frekvenciák), akkor a hullám időszaka alatt a transzlációs mozgás energiája újra eloszlik a belső szabadsági fokoknak. Ebben az esetben a transzlációs mozgás energiája kisebb lesz, mint abban az esetben, ha a belső szabadságfokok nem létezhetnek. Mivel a gáz rugalmasságát a molekulák transzlációs mozgása által okozott energia határozza meg, ennek következtében a gáz rugalmassága és így a hangsebesség szintén kisebb lesz, mint a magas frekvenciák esetén. Más szóval, néhány frekvenciatartományban, közel a relaxációs frekvenciához, egyenlő a wp = 1 / t értékkel. A hangsebesség növekszik. azaz van egy úgynevezett pozitív diszperzió. Ha c0 az alacsony frekvenciájú hangsebesség (wt «1). és c∞ - nagyon magas frekvenciákon (wt> 1). akkor az önkényes frekvenciájú hang sebességét a képlet írja le
Mivel az energia-újraelosztás folyamatainak visszafordíthatatlansága olyan frekvenciatartományban van, ahol a hang diszperzió van, nagyobb a hangelnyelés.
A hang diszperziójának második típusa a "geometriai" diszperzió a test vagy a terjedési közeg jelenléte miatt. Úgy tűnik, ha a hullámok rudak, lemezek, minden akusztikus hullámvezetőben propagálnak. A sebesség diszperziót megfigyeljük hajlító hullámok vékony lemezek és rudak (vastagsága a lemez vagy rúd sokkal kisebb, mint a hullámhossz). Vékony rúd hajlításakor a hajlítási rugalmasság nagyobb annál kisebb, mint a hajlító rész. Amikor a hajlító hullám elterjed, a hajlító rész hosszát a hullámhossz határozza meg. Ezért, ahogy a hullámhossz csökkenti (növekvő frekvenciával), a rugalmasság nő, és ennek következtében a hullám terjedési sebessége. Az ilyen hullám fázisátviteli sebessége arányos a frekvencia négyzetgyökével, vagyis van egy pozitív diszperzió.
A tudományos és technikai hatások felhasználásához
Relaxációs hang diszperzió lehet nemcsak gáz, hanem a testnedvekben, ahol kapcsolódó különböző intermolekuláris folyamatokat, elektrolit oldatok, keverékek, ahol a lehetséges kémiai reakciók a komponensek között hatása által hang a emulziók, valamint néhány szilárd . A hang diszperziójának nagysága nagyon különböző lehet különböző anyagokban. Például szén-dioxidban a diszperzió értéke 4%, benzolban
10%, a tengervízben kevesebb, mint 0,01%, erősen viszkózus folyadékokban és magas polimer vegyületekben a hangsebesség 50% -kal változhat. Azonban a legtöbb anyagban a hang diszperziója nagyon kicsi, és mérései meglehetősen bonyolultak. Az a frekvencia tartomány, amelyben a hang diszperzió megy végbe, különbözik a különböző anyagoktól is. Így a normál nyomás és a 18 ° C hőmérsékletű szén-dioxid esetében a relaxációs ráta 28 kc, a tengervízben 120 kHz. A szén-tetrakloridban, benzolban, kloroformban stb. Lévő relaxációs tartomány a 10 9-10 10 Hz frekvenciatartományba esik, ahol a hagyományos ultrahangos mérési módszerek nem alkalmazhatók, és a hang diszperzió csak optikai módszerekkel mérhető.
Az azonos típusú, de nem nyugtató jellegű hang diszperziója a tápközeg hővezető képességéhez és viszkozitásához vezet. Ezeket a hang diszperziót a tömörítés és a ritmusosodás régiói közötti energiacsere okozza, és különösen fontosak a mikroinhomogén médiumok számára. A hang diszperziója is megjelenhet olyan közegben, ahol egymásba rendezett inhomogenitásokat (rezonátorokat), például gázbuborékokat tartalmazó vízben mutatnak ki. Ebben az esetben, ha a hang frekvencia közel a rezonancia frekvencia a buborék, része a hanghullám energiát bemegy a gerjesztő rezgés buborékok, ami a diszperziós hangelnyelési és emelkedő.
Ha a hang terjedési a hullámvezetők hangtér reprezentálható szuperpozíciója normál hullám fázis sebességek egy téglalap alakú hullámvezető merev falakkal van formájában
ahol n a normál hullám (n = 1, 2, 3) száma, c a szabad sebesség szabad hangereje, d a hullámvezető szélessége. A normál hullám fázissebessége mindig nagyobb, mint a hang sebességének egy szabad közegben, és növekvő frekvenciával ("negatív" diszperzió) csökken.
Szűk értelemben a hang diszpergálását néha a hang sebességének diszperziós ugrásaként hívják δ = (c∞ - co) / co. ahol co és c∞ a ωτ → 0 és ωτ → ∞ hangsebesség értékei. A különböző relaxációs folyamatok diszperziós értéke az 1. táblázatban található.
A diszpergáló sebesség egyes anyagokra ugrik
* Az értékek megfelelnek az 1 MHz feletti frekvenciájú relaxációs folyamatok diszperziós ugrásainak összegére.
1. Frish S.E. Timoreva A.V. Általános fizika tanfolyam. 1. kötet. A mechanika fizikai alapjai. Molekuláris fizika. Változások és hullámok. - 11 szerk. sr. - M. Fizmatgiz, 1962.- 466. o. il. P. 445.
2. Krasilnikov V.A. Hang- és ultrahanghullámok: Proc. Juttatás. - 3. kiadás. Felülvizsgált. és további. - M. Fizmatgiz, 1960. - 560. o. il. P. 66.
Beágyazott keretek támogatása szükséges.