Поглощение звука

Поглощение звука, превращение энергии звуковой волны в другие виды энергии, и в частности в тепло; характеризуется коэффициентом поглощения а, который определяется как величина, обратная расстоянию, на котором амплитуда звуковой волны уменьшается в е = 2,718 раз. а выражается в см-1 т.е. в неперах на см или же в децибелах на м (1 дб/м = 1,15·10-3 см-1). П. з. характеризуют также коэффициент потерь e = al/r: (где l - длина волны звука) или добротностью Q = 1/e. Величина alназывается логарифмическим декрементом затухания. При распространении звука в среде обладающей вязкостью и теплопроводностью,



где r - плотность среды, с - скорость звука в ней, w - круговая частота звуковой волны, h и x - коэффициент сдвиговой и объёмной вязкости соответственно, c - коэффициент теплопроводности, Ср и Cv - теплоёмкости среды при постоянном давлении и объёме соответственно. Если ни один из коэффициентов h, x и c не зависит от частоты, что часто выполняется на практике, то a ~ w2. Если при прохождении звука нарушается равновесное состояние среды, П. з. оказывается значительно большим, чем определяемое по формуле (1). Такое П. з. называется релаксационным и описывается формулой



где t - время релаксации, c0 и c∞ - скорости звука при wt << 1 и при wt > 1 соответственно. В этом случае П. з. сопровождается дисперсией звука. Величина a/f2, где f =w/2r, является характеристикой вещества, определяющей П. з. Она, как правило, в жидкостях меньше, чем в газах, а в твёрдых телах для продольных волн меньше, чем в жидкостях.

П. з. в газах зависит от давления газа, разрежение газа эквивалентно увеличению частоты. Теплопроводность и сдвиговая вязкость в газах дают в П. з. вклад одного порядка величины. В жидкостях П. з. в основном определяется вязкостью, а вклад теплопроводности пренебрежимо мал. В большинстве жидкостей для П. з. существенны объёмная вязкость и релаксационные процессы. Частота релаксации в жидкостях, т. е. величина wр = 1/t, как правило, очень велика и область релаксации оказывается лежащей в диапазоне высоких ультразвуковых и гиперзвуковых частот. Коэффициент П. з. обычно сильно зависит от температуры и от наличия примесей.

П. з. в твёрдых телах определяется в основном внутренним трением и теплопроводностью среды, а на высоких частотах и при низких температурах - различными процессами взаимодействия звука с внутренними возбуждениями в твёрдом теле, такими, как фононы, электроны, спиновые волны и пр. Величина П. з. в твёрдом теле зависит от кристаллического состояния вещества (в монокристаллах П. з. обычно меньше, чем в поликристаллах), от наличия дефектов, примесей и дислокаций, от предварительной обработки, которой был подвергнут материал. В металлах, подвергнутых предварительной термообработке, а также ковке, прокатке и т.п., П. з. часто зависит от амплитуды звука. Во многих твёрдых телах при не очень высоких частотах a ~ w, поэтому величина добротности не зависит от частоты и может служить характеристикой потерь материала. Самое малое П. з. при комнатных температурах было обнаружено в некоторых диэлектриках, например в топазе, берилле, железоиттриевом гранате (a ~ 15 дб/см при f = 9 Ггц). В металлах и полупроводниках П. з. всегда больше, чем в диэлектриках, поскольку имеется дополнительное поглощение, связанное с взаимодействием звука с электронами проводимости. В полупроводниках это взаимодействие при определённых условиях может приводить к "отрицательному поглощению", т. е. к усилению звука. С ростом температуры П. з., как правило, увеличивается.

Наличие неоднородностей в среде приводит к увеличению П. з. В различных пористых и волокнистых веществах П. з. велико, что позволяет применять их для заглушения и звукоизоляции.


Назад в раздел