Hang diszperzió
A hang diszperziója, a monokromatikus hanghullámok fázis sebességének függése frekvencián. A hang eloszlása okozza a hanghullám alakjának változását (hangimpulzus), ha egy közegben propagál. Megkülönböztetést tesznek a hang diszperziója a médium fizikai tulajdonságai és a hang varianciája miatt a test határainak jelenlétében, amelyekben a hanghullám terjed és a test független tulajdonságaitól.
Az első típusú hang diszperzióját különböző okok okozhatják. A legfontosabb esetek a hang eloszlása a relaxációs folyamatokhoz (lásd alább), amelyek a médiumban előfordulnak, ahogy a hanghullám áthalad. A relaxációs hang megjelenésének mechanizmusa A hang diszperziója a poliatomikus gáz példájával magyarázható. 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 előfordulhatnak molekulák forgási mozgása, valamint a molekulát alkotó atomok vibrációs mozgása. Ebben az esetben a hanghullám energiájának egy része e vibrációs és forgó mozgások gerjesztésére fordul. 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. kisebb lesz, mint a magas frekvenciák esetében. Más szóval, egy bizonyos frekvenciatartományban, közel a relaxációs frekvenciához, wp = 1 / t. a hangsebesség növekvő frekvenciával nő, vagyis van egy úgynevezett pozitív diszperzió. Ha c0 az alacsony frekvenciákon (wt «1) és a c ¥ -on nagyon nagy frekvenciákon (wt» 1), akkor a hang sebességét tetszőleges frekvenciára az alábbi képlet
Az energia-redisztribúciós folyamatok visszafordíthatatlansága miatt a frekvencia-tartományban, ahol a hang diszpergálódik, a hang megnövekedett felszívódása van.
A hang relaxációs diszperziója nem csak gázok, hanem folyadékok esetén is lehetséges. ahol különböző intermolekuláris folyamatokhoz kapcsolódik, elektrolit oldatokban. olyan keverékekben, amelyekben a hang hatása alatt a komponensek közötti kémiai reakciók lehetségesek. emulziókban. valamint néhány szilárd anyagban.
A hang diszperzió nagysága nagyon különböző lehet különböző anyagokban. Például szén-dioxidban a diszperzió értéke 4%, benzolban
10%, a tengervíznél kevesebb, mint 0,01%, erősen viszkózus folyadékokban és magas polimer vegyületekben a hangsebesség 50% -kal változhat. Azonban a legtöbb anyagban a hangváltozás nagyon kicsi, és mérése meglehetősen bonyolult. Frekvenciatartomány. amelyekben a hang diszperziója zajlik, szintén különbözik a különböző anyagoktól. Így a normál nyomás és a 18 ° C hőmérsékletű szén-dioxid esetében a relaxációs ráta 28 kc, a tengervíz 120 kHz. Az olyan vegyületekben, mint a szén-tetraklorid. benzol, kloroform, stb., a 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.
K Az azonos típusú hang, de nem relaxációs jellegű diszperzió vezet a tápközeg hővezető képességéhez és viszkozitásához. Az ilyen típusú hangeloszlást a tömörítés és a ritkítás közötti régiók közötti energiacsere okozza a hanghullámban, és különösen fontosak a mikroinhomogén médiumokban. A hang diszperzió kialakulhat olyan közegben is, ahol egymásba rendezett inhomogenitásokat (rezonátorokat), például gázbuborékokat tartalmazó vízben mutatnak ki. Ebben az esetben a buborékok rezonanciafrekvenciájához közeli hangfrekvenciánál a hanghullám energia egy része a buborék oszcillációinak gerjesztéséhez vezet, ami a hang eloszlatásához és a hangelnyelés növekedéséhez vezet.
A hang diszperziójának második típusa a "geometriai" variancia. A szervezet határainak vagy a propagáció közegének jelenléte. 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.
Amikor a hullámvezetőkben a hang propagál, a hangtér a normál hullámok szuperpozíciójául szolgálhat, amelynek a merev falakkal rendelkező téglalap alakú hullámvezető fázisátviteli sebessége
ahol n a normál hullám (n = 1, 2, 3) száma, c a szabad hely 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.
Mindkét típusú hang diszperziója az impulzusalak elterjedését eredményezi a szaporítás során. Ez különösen fontos a hidroakusztikában. atmoszférikus akusztika és geoacoustika. ahol foglalkoznak a hang terjedésével nagy távolságra.
Irod Bergman L. Ultrahang és annak alkalmazása a tudomány és a technológia területén, trans. vele. 2 ed. M. 1957; Mikhailov IG, Solovyov VA és Syrnikov Yu. P. molekuláris akusztika alapjai, M. 1964; Fizikai akusztika. ed. U. Mason, per. angolul. 2. kötet, A rész, M. 1968; Fabelinsky IL A fény molekuláris szóródása. M. 1965.
Ön is megtudhatja.