Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия) (1040516), страница 97
Текст из файла (страница 97)
з. в газах — одного порядка величины. Вклад объемной внзкости и релаксационных процессов значителен для многоатомных газов, тогда как в одноатомиых газах релансационные процессы отсутствуют и а -= а„з. Данные о П. з. в нек-рых газах в УЗзвом диапааоне частот приведены в таблице 1. Иа таблицы видно, что в риде случаев, например для углекислого газа, измеренные значении П. з.
довольно заметно превынзают акл (на частоте 50 крц прн комнатной темп-реп нормальном давлении в углекислом газе а 0,2 си г, т. е. волна затухает в г раз на расстоннии 5 см). Это пре- ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА 259 Т а б л. 1.— П о г л о ж е н н е ультразвука з газах аД* 1Ом, см-'о' Дзз- ленне Р, агм Частота 1, НГц теория (клао- онче- скан) Газ зконе- рнмект 1,24 Воздух.... 132— 400 1(Е О 2,94— 3 АШ 1,67 1,О Ъ'глекнслый гаэ ... Водород Окись азота Кислород .
Аргон А30т 0,98 27,1 1,0 3,58 0,95 1,83 0,99 1,68 1,0 1,9 0,97 1,35 304,4 598,4 598,9 598,9 4250 598,9 1,ЗО 0,17 1,56 1,79 1',3 вышепие указывает на существенный вклад релаксационных процессов. В таках газах, как СОО, СЯО, СО и др., основной вклад в П. я. дает релаксационный процесс возбуждения колебательных степеней свободы. В более сложных системах может иметь место как колебательнан, так и вращатетьная релаксация, причем обычно частоты релаксации этих процессов различаютсн на несколько порядков, Даже небольшие примеси посторонних газов заметно влияют как на величину ир, так и на ыр.
П. з. в воздухе зависит от ого влажности (рис. 2). В сильно разреженных газах, т. е. при больших значениях отношении ПР, когда длина волны звука становится сравнимой с длиной свободного пробега молекул, длн опи- и' ,)о-' н )О' )О' 0 )О 28 ЗО 40 59 бб 7О 39 90 109 Ое лл озл ал глаз лл л. Х Рне. 2. Зазнсниосгь козййицгленга поглощении зоука з еоздухе от относительной влажности ори разных частотах.
сания П. з. нужно пользоваться кинетич. теорией газов. Поглощение звука в жидкостях. П. 3. в обычных жидкостях в основном определяется вязкостью (как сдвиговой, так и объемной). В большиастве жидкостей экспериментальиыо значения коэфф. П. з. существенно превышают аначенин, даваемые класснч. теорией, что свидетельствует о большом нкладе релаксационных процессов. Релаксационное поглощенно в жидкостях может быть обусловлено колебательной релаксацией, структурной релаксацией (ассоциированныо жидкости, поведение к-рых похоже на поведение воды), поворотно-изомерной релаксацией, диссоциациой растворенных веществ в растворах алектролнтов и пр.
Частота релаксации в жидкостнх, как правило, очень велика, и область релаксации часто окааынается лея(ащей в диапазоне гиперзвуковых частот. В этих слУчаЯх пРи ы(со)р РелаксаЦиоиные процессы приводят к большим значениям Г н существенным огкжлнаипям от классич. значений сг (табл. 2), Табл. 2, — Теоретические н эксперимента.зьные значе- ния ногзоження ультразэука н жидкостях оп 1О'л, ом 'с' Частота й Мгц Жидкость теория енсоз- (клас.
рнменг сиче- окая) 1 — 230 5 70 1 — 75 Вода......... Ацетон . Толуол Четыроххлористый углерод Уксусная кислота 8,5 7,9 7,8 23 39 80 1 — 100 1,5— 69,5 22,3 1 — 220 21— 996 44,4 20,0 17 500 9000— 158 2730 55 1500 зо Глицерин (ЗО 'С) .. Зтнлоэый спирт... Ртуть Аргон ( — 187,8 'С) 10,3 8,1 12-13 10,1 но качественный характер частотной зависимости а -)з сохраинется до высоких УВ-вых частот.
Коэффициент поглощения в жидкостнх обычно сально завысит от температуры (рис. 3). Температурные кривые поглощения имеют максимум, величина и положение к-рого зависят от частоты: с увеличением частоты максимум сдвигается в сторону бблыпих темп-р а величина а растет, что свидепшьствует об увеличении времени релаксации при понижении темп-ры. П. з.
в растворах электролитов связано с химич. релаксацией и диссоциацией растворенных веществ. ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКА Поглощение авука в морской воде довольно велико и имеет сложный характер. В области частот 1)5 кГц оно описывается суммой классического и релаксационного членов, причем величина обоих членов зависит от темп-ры и солености морской воды. Частота релаксации растет с ростом темп-ры и при темп-ре 20 'С составляет 120 кГц. В области частот 5— 60 кГц для качественных оценок поглощении иногда пользуются зависимостью а 0,036/ 7', где частота в кГц, а а в дБ(км. 70 ОО ОО .
40 ц 30 20 О -40 -30 -20 -$0 О 30 20 30 40 00 00 Температура 'С ряс. 3. Зависимость козОпряццецта цеглоШендя зэунз ат температуры для >мяднасти са структурной релаксацией: 3 — для 3 МГц; г — ддя 22 МГц. В жидких металлах важный вклад в П. 3. вносит теплопроводность. Вели жидкий металл помещен в магнитное поле, то коэфф. П. 3. увеличивается с ростом магнитной индукции В про- си* т*т' порционально величиие — . зра 1-Ь т'т* где т =- 1/о(га, р — магнитная проницаемость жидкого металла, и — проводимость. Такой характер поглощения связан с возникновением индуцированиых токов в жидком металле под действием УЗ. В в ы с о к о п о л и м е р а х, р е- 3 н н а х и пластмассах П.
з. сильно зависит от состава и структуры материала. В этик веществах определяющий вклад в П. з, вносят релаксационные процессы, причем, как правило, имеется широкий спектр времен релаксации. Под действием УЗ-вой волны пролсходит сворачивание и разворачивание клубков моленул полимеров. Область релаксации для разных материалов может лежать как в низкочастотном, так н в мегагерцевом диапазонах частот, Зависи- ность и от темп-ры имеет один или несколько максимумов, положение к-рых зависит как от материала, так и от частоты звука. С ростом частоты положенве ьгаксивзумов сдвигается в сторону ббльших темп-р. Для вулканиэированной резины при частоте 10 МГц имеется максимум при темп-ре -40 'С, в полнстироле — при темп-ре порядка — 10 'С. Величина коэффицнекта П.
з. в реззгие при 1 =- = 10 МГц составляет несколько сотен дБ!см. Поглощение звука в твердых телах. В твердых телах П. а, различно для продольных и сдвиговых волн. Зто связано как с различаем скорости звука для этих волн, так и с тем, что в П. з. для продольной и сдвиговой волн могут давать вклад различные механизмы. Для определения коэфф.
поглощения в твердом теле, как правило, не пользуютсн ф-лей (1), т. к. в П. а. Олесь могут давать вклад многие механизмы, ие укладывающиеся в простую схему, на основании к-рой выведена эта ф-ла. П. а. в твердых телах определяется в основном внутренним трениеи и теплопроводиостью среды, а ка высоких частотах и при ниакнх темп-рах — различными процессами взаимодействия УЗ-вых и гиперавуковых волн с внутреннимп возбуждениями и твердом теле, такими, как тепловые колебаиив решетки, алектроиы, сливовые волны и пр. На поглощение сдвиговых воли в однородных твердых телах теплопроводность и другие объемные эффекты не влияют, т. к.
сдвнговые волны не свяааны с изменением объема. Велнчина П. 3, в твердом теле зависит от крпсталлич. состояния вещества (в монокрпсталлах коэфф. П. з. обычно меньше, чем в поликристаллах), от наличия дефектов и примесей, от предварительной обработки, к-рой был подвергнут материал (для металлов — ковка, прокат, отжиг, закалка), и т. п. Внутреннее трение в кристаллах при комнатной темп-ре сильно зависит от наличия дислокаций, движение к-рых под действием звуковой волны приводит к диссипации эиергни, а следовательно, и к П. а. Внутреннее трение в этом случае зависит от амплитуды волны (См.
Диаланациалнае назлаирениз ультразвука) и соответственно наблюдается заметная амплитуднаа зависпиость и, ПОГЛОЩЕНИИ ЗВУКА Во многих твердых телах при ие очень высоких частотах коэфф. П. з. измениется пропорционально первой степени частоты, и поэтому величина добротности (7 не зависит от частоты. В табл. 3 приведены значения е — .= =-1(ч» для нек-рых материалов.
Табл. 3. — По глощекие ультразвука з тзордых телах з иа и и у$- оь ио Тид золвм диапазон частот Материал Пжззлеиий кварц 0,225 5 — 10 Мгц 1 5 — 4 5 МГц 3,1 — 7,5 МГц одаиговад од»итон»я продольное л родольиая сдеигозаз сдзига- зал 0,5!5 1,7 Алюмииийп о- ликриеталли«ездий Свинец.... 1,0- 15 кГц 1,Π— З ктц 4 — 7,5 МГц 280 200 Стекло крон 2,38 Нержавеющая сталь 1Х18НЧТ' 18 — 25 кГц 18 — 25 кГц 4,4 л родольиая лродольнан лродольная лродо- льиак титан ИТ1« Медь М2' Лзтувь Лаэ' Алюминиевый сплав 2,4 3,0 лрозо- льиаз П р и и е ч а в и е.
П вета«!лаз логлои«ение зазиоит от а»озлитуды; дри змллитуде иалрижеиш! з иучвоети колебаний а— 5 кто(им*, б — 0 кто!им*, в — 2 кгс!имк Роль теплопроводности для продольных волн в однороднои твердом теле идентична роли теплопроводностп в жидкости и газе. П. з., обусловленное теплопроводиостью, составляет примерно 50% полного поглощения в металлах, в к-рых велики коэфф. теплового расширения и теплопроводностн, и всего лишь 4% от полного поглощения в диэлектриках. Этот механизм связан с объемными деформациями и не дает вклада в поглощение сдвиговых волн. Другой вид поглощения, также имеющийсн в большинстве веществ, свиаан с нелинейным взаимодействием звуковой волны и тепловых колебаний крпсталлич. решетки, т. е.
с взаимодействием авуковых и теплоных фононов. Такое П. з. поэтому часто наа. «Решеточнымэ или «фононнымэ. Оно проявляется на высоких частотах в достаточно чистых и бездефектных кристаллах. В зависимости от частоты и соотношения длины волны УЭ и длины свободного пробега тепловых фононов в кристалле (определяемой темп-рой] можно рассматривать разлнчные модели фононного поглощения. На сравнительно низких частотах действует т.н.
механиам «фононной вязкости», или механизм Ахиезера. Он заключается в том, что звуковая волна, представляющая собой когерентныи пучок фононов, нарушает равновесное распределение тепловых фононов, и вызванное ею перераспределение анергии между различными фононамп приводит к необратимому процессу диссипации энергии, Этот механизм имеет релаксационный характер, причем роль времени релаксации играет время жизни фонона, равное: т =- !(с .— — Зк(СУ сй, где ! — длина свободного пробега фонона, с — средняя скорость звука. Коэфф. П.
з. равен в этом случае: где у — т. н. постоииная Грюпайзена, свяеанная с модулями упругости 3-го порядка, Т вЂ” абсолютнаи темп-ра. Этот механизм П. з. дает вклад в поглощение как продольных, так и поперечных волн. Он явлнется доиинируюпгим при комнатных темп-рах, при к-рых выполняется условие ют (( 1. В области гиперзвуковых частот (101« — 101' Гц) н прн низких темп-рах (прн темп-ре жидкого гелия), когда !от~1, происходит непосредственное взаимодействие когеронтных звуковых фоноиов с тепловыми, к-рое следует рассматривать в рамках квантовых представлений.
На основе таких представлений предполагается, что взаимодействие когерентного и теплового фононов приводит к появлению третьего, также теплового, фонона и, следовательно, с учетом законов сохранения энергни и импульса — к уменьшению звуковой энергии, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
