Скорость звука

Ско́рость звука

Скорость распространения какой-либо фиксированной фазы звуковой волны; называется также фазовой скоростью, в отличие от групповой скорости (См. Групповая скорость). С. з. обычно величина постоянная для данного вещества при заданных внешних условиях и не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и С. з. зависит от частоты, говорят о дисперсии звука (См. Дисперсия звука).

Для газов и жидкостей, где звук распространяется обычно адиабатически (т. е. изменение температуры, связанное со сжатиями и разряжениями в звуковой волне, не успевает выравниваться за период), выражение для С. з. можно представить, как

,

где Кад — адиабатический модуль объёмного сжатия, ρ — плотность, βад — адиабатическая сжимаемость, βиз = γβад— изотермическая сжимаемость, γ = cp/cv — отношение теплоёмкостей при постоянном давлении cp и при постоянном объёме cv.

В идеальном газе С. з.

(формула Лапласа), где ρ0— среднее давление в среде, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура, μ — молекулярный вес газа. При γ = 1 получаем формулу Ньютона для С. з., соответствующую предположению об изотермическом характере процесса распространения. В жидкостях обычно можно пренебречь различием между адиабатическим и изотермическим процессами.

С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в твёрдых телах, поэтому при сжижении газа С. з. возрастает. В табл. 1 и 2 приведены значения С. з. для некоторых газов и жидкостей, причём в тех случаях, когда имеется дисперсия С. з., приведены её значения для малых частот, когда период звуковой волны больше, чем время релаксации (См. Релаксации время).

Табл. 1. — Скорость звука в газах при 0 °C и давлении 1 атм

С. з. в газах растет с ростом температуры и давления; в жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростом температуры. Исключением из этого правила является вода, в которой С. з. увеличивается с ростом температуры и достигает максимума при температуре 74 °С, а с дальнейшим ростом температуры уменьшается. В морской воде (См. Морская вода) С. з. зависит от температуры, солёности и глубины, что определяет ход звуковых лучей в море и, в частности, существование подводного звукового канала.

Табл. 2. — Скорость звука в жидкостях при 20° С

С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.

С. з. в изотропных твёрдых телах определяется модулями упругости (См. Модули упругости) вещества и его плотностью. В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, причём фазовая С. з. для продольной волны равна

,

а для сдвиговой

где Е — модуль Юнга, G — модуль сдвига, γ — коэффициент Пуассона, К — модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн (см. табл. 3).

Табл. 3. — Скорость звука в некоторых твердых телах.

В монокристаллических твёрдых телах С. з. зависит от направления распространения волны относительно кристаллографических осей. Во многих веществах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от обработки, которой был подвергнут металл: прокат, ковка, отжиг и т. п.

Измерение С. з. используется для определения многих свойств веществ. Измерение малых изменений С. з. является чувствительным методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерения С. з. и её зависимость от разных факторов позволяют исследовать зонную структуру полупроводников (См. Полупроводники), строение Ферми поверхностей (См. Ферми поверхность) в металлах и пр. Ряд контрольно-измерительных применений ультразвука в технике основан на измерениях С. з.

Всё вышеизложенное относится к распространению звука в сплошной среде, т. е. С. з. является макроскопической характеристикой среды. Реальные вещества не являются сплошными; их дискретность приводит к необходимости рассмотрения упругих колебаний др. типов. В твёрдом теле понятие С. з. относится только к акустической ветви колебаний кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки).

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, М., 1970; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.

А. Л. Полякова.