Значение СКОРОСТЬ ЗВУКА в Большой советской энциклопедии, БСЭ
- СКОРОСТЬ ЗВУКА
-
звука, скорость распространения какой-либо фиксированной фазы звуковой волны; называется также фазовой скоростью, в отличие от групповой скорости . 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 .
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, r - плотность, bад - адиабатическая сжимаемость, bиз gbад - изотермическая сжимаемость, g cp/cv - отношение теплоёмкостей при постоянном давлении cp и при постоянном объёме cv.
В идеальном газе С. з.
(формула Лапласа), где r0 - среднее давление в среде, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, m - молекулярный вес газа. При g1 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 .
Табл. 1 . - Скорость звука в газах при 0 |C и давлении 1 атм
Газ
с , м/сек
Азот
334
Кислород
316
Воздух
331
Гелий
965
Водород
1284
Метан
430
Аммиак
415
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 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
Жидкость
с , м/сек
Вода
1490
Бензол
1324
Спирт этиловый
1180
Четырёххлористый углерод
920
Ртуть
1453
Глицерин
1923
С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.
С. з. в изотропных твёрдых телах определяется модулями 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, g - 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.
Материал
cl, м/сек, скорость продольной волны
ct, м/сек, скорость сдвиговой волны
сl ст, м/сек, скорость звука в стержне
Кварц плавленый
5970
3762
5760
Бетон
4200-5300
-
-
Плексиглас
2670-2680
1100-1121
1840-2140
Стекло, флинт
3760-4800
2380-2560
3490-4550
Тефлон
1340
-
-
Эбонит
2405
-
1570
Железо
5835-5950
-
2030
Золото
3200-3240
1200
2030
Свинец
1960-2400
700-790
1200-1320
Цинк
4170-4210
2440
3700-3850
Никель
5630
2960
4785-4973
Серебро
3650-3700
1600-1690
2610-2800
Латунь Л59
4600
2080
3450
Алюминиевый сплав АМГ
6320
3190
5200
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 , строение Ферми поверхностей 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 .
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.
Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012