Die meisten Menschen verstehen sehr gut, was Klang ist. Es ist mit dem Hören verbunden und steht im Zusammenhang mit physiologischen und psychologischen Prozessen. Das Gehirn verarbeitet Empfindungen, die über die Hörorgane eingehen. Die Schallgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren ab.

Klänge, die von Menschen unterschieden werden

Im allgemeinen Sinne ist Schall ein physikalisches Phänomen, das eine Wirkung auf die Hörorgane hervorruft. Es hat die Form von Longitudinalwellen unterschiedlicher Frequenz. Menschen können Geräusche hören, deren Frequenz zwischen 16 und 20.000 Hz liegt. Diese elastischen Longitudinalwellen, die sich nicht nur in der Luft, sondern auch in anderen Medien ausbreiten und das menschliche Ohr erreichen, verursachen Schallempfindungen. Die Leute können nicht alles hören. Elastische Wellen mit einer Frequenz von weniger als 16 Hz werden als Infraschall bezeichnet, solche über 20.000 Hz als Ultraschall. Das menschliche Ohr kann sie nicht hören.

Klangeigenschaften

Es gibt zwei Hauptmerkmale des Klangs: Lautstärke und Tonhöhe. Die erste davon hängt mit der Intensität der elastischen Schallwelle zusammen. Es gibt noch einen weiteren wichtigen Indikator. Physische Größe, die die Höhe charakterisiert, ist die Schwingungsfrequenz der elastischen Welle. Dabei gilt die Regel: Je größer, desto höher der Klang und umgekehrt. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Schallgeschwindigkeit. Es variiert in verschiedenen Umgebungen. Sie gibt die Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Schallwellen an. In einer gasförmigen Umgebung ist dieser Wert geringer als in Flüssigkeiten. Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern am höchsten. Außerdem ist sie bei Longitudinalwellen immer größer als bei Transversalwellen.

Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen

Dieser Indikator hängt von der Dichte des Mediums und seiner Elastizität ab. In gasförmigen Medien wird sie von der Temperatur des Stoffes beeinflusst. Die Schallgeschwindigkeit hängt in der Regel nicht von der Amplitude und Frequenz der Welle ab. In seltenen Fällen, in denen diese Eigenschaften einen Einfluss haben, spricht man von einer sogenannten Streuung. Die Schallgeschwindigkeit in Dämpfen oder Gasen liegt zwischen 150 und 1000 m/s. In flüssigen Medien beträgt sie bereits 750–2000 m/s und in festen Materialien 2000–6500 m/s. IN normale Bedingungen Die Schallgeschwindigkeit in Luft erreicht 331 m/s. In normalem Wasser - 1500 m/s.

Geschwindigkeit von Schallwellen in verschiedenen chemischen Medien

Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung in verschiedenen chemischen Medien ist nicht gleich. In Stickstoff beträgt sie also 334 m/s, in Luft 331, in Acetylen 327, in Ammoniak 415, in Wasserstoff 1284, in Methan 430, in Sauerstoff 316, in Helium 965 und in Kohlenmonoxid 338, in Kohlendioxid - 259, in Chlor - 206 m/s. Die Geschwindigkeit einer Schallwelle in gasförmigen Medien nimmt mit zunehmender Temperatur (T) und Druck zu. In Flüssigkeiten nimmt sie am häufigsten ab, wenn T um mehrere Meter pro Sekunde zunimmt. Schallgeschwindigkeit (m/s) in flüssigen Medien (bei einer Temperatur von 20°C):

Wasser - 1490;

Ethylalkohol - 1180;

Benzol - 1324;

Merkur - 1453;

Tetrachlorkohlenstoff - 920;

Glycerin – 1923.

Die einzige Ausnahme von der oben genannten Regel ist Wasser, in dem die Schallgeschwindigkeit mit steigender Temperatur zunimmt. Ihr Maximum erreicht sie, wenn diese Flüssigkeit auf 74°C erhitzt wird. Bei weiterer Temperaturerhöhung nimmt die Schallgeschwindigkeit ab. Mit steigendem Druck steigt er um 0,01 %/1 Atm. In salzhaltigem Meerwasser erhöht sich mit zunehmender Temperatur, Tiefe und Salzgehalt die Schallgeschwindigkeit. In anderen Umgebungen ändert sich dieser Indikator anders. In einem Gemisch aus Flüssigkeit und Gas hängt die Schallgeschwindigkeit also von der Konzentration seiner Bestandteile ab. In einem isotopischen Festkörper wird es durch seine Dichte und seine Elastizitätsmoduli bestimmt. Transversale (Scher-) und longitudinale elastische Wellen breiten sich in unbeschränkten dichten Medien aus. Schallgeschwindigkeit (m/s) in Festkörpern (Längs-/Querwellen):

Glas – 3460–4800/2380–2560;

Quarzglas – 5970/3762;

Beton – 4200–5300/1100–1121;

Zink – 4170-4200/2440;

Teflon - 1340/*;

Eisen - 5835-5950/*;

Gold - 3200-3240/1200;

Aluminium – 6320/3190;

Silber – 3660–3700/1600–1690;

Messing – 4600/2080;

Nickel - 5630/2960.

Bei Ferromagneten hängt die Geschwindigkeit der Schallwelle von der Stärke des Magnetfelds ab. In Einkristallen hängt die Geschwindigkeit einer Schallwelle (m/s) von der Richtung ihrer Ausbreitung ab:

• Rubin (Längswelle) - 11240;
• Cadmiumsulfid (längs/quer) – 3580/4500;
• Lithiumniobat (längs) - 7330.

Die Schallgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 0, da er sich in einem solchen Medium einfach nicht ausbreitet.

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit

Alles, was mit Schallsignalen zu tun hat, interessierte unsere Vorfahren schon vor Tausenden von Jahren. Fast alle herausragenden Wissenschaftler haben daran gearbeitet, das Wesen dieses Phänomens zu bestimmen. antike Welt. Schon antike Mathematiker stellten fest, dass Schall durch die oszillierenden Bewegungen des Körpers entsteht. Euklid und Ptolemaios schrieben darüber. Aristoteles stellte fest, dass die Schallgeschwindigkeit einen endlichen Wert hat. Die ersten Versuche, diesen Indikator zu bestimmen, wurden im 17. Jahrhundert von F. Bacon unternommen. Er versuchte, die Geschwindigkeit zu ermitteln, indem er die Zeitintervalle zwischen dem Schussgeräusch und dem Lichtblitz verglich. Basierend auf dieser Methode bestimmte eine Gruppe von Physikern der Pariser Akademie der Wissenschaften erstmals die Geschwindigkeit einer Schallwelle. Unter verschiedenen Versuchsbedingungen betrug sie 350–390 m/s. Theoretischer Hintergrund Die Schallgeschwindigkeit wurde erstmals von I. Newton in seinen Principia berücksichtigt. Produzieren richtige Definition P.S. hat diesen Indikator erreicht. Laplace.

Formeln für die Schallgeschwindigkeit

Bei gasförmigen Medien und Flüssigkeiten, in denen sich Schall in der Regel adiabatisch ausbreitet, kann sich die mit Spannung und Druck in einer Longitudinalwelle verbundene Temperaturänderung nicht schnell über einen kurzen Zeitraum ausgleichen. Offensichtlich wird dieser Indikator von mehreren Faktoren beeinflusst. Die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem homogenen gasförmigen Medium oder einer homogenen Flüssigkeit wird durch die folgende Formel bestimmt:

Dabei ist β die adiabatische Kompressibilität und ρ die Dichte des Mediums.

Bei partiellen Ableitungen wird diese Größe nach folgender Formel berechnet:

c 2 = -υ 2 (δρ/δυ) S = -υ 2 Cp/Cυ (δρ/δυ) T,

wobei ρ, T, υ der Druck des Mediums, seine Temperatur und sein spezifisches Volumen sind; S – Entropie; Cp – isobare Wärmekapazität; Cυ – isochore Wärmekapazität. Für Gasmedien sieht diese Formel folgendermaßen aus:

c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,

wobei ζ der adiabatische Wert ist: 4/3 für mehratomige Gase, 5/3 für einatomige Gase, 7/5 für zweiatomige Gase (Luft); R – Gaskonstante (universell); T – absolute Temperatur, gemessen in Kelvin; k ist Boltzmanns Konstante; t – Temperatur in °C; M – Molmasse; m – Molekulargewicht; ά 2 = ζR/ M.

Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Festkörper

In einem homogenen Festkörper gibt es zwei Arten von Wellen, die sich in der Polarisation der Schwingungen in Abhängigkeit von ihrer Ausbreitungsrichtung unterscheiden: transversal (S) und longitudinal (P). Die Geschwindigkeit des ersten (C S) wird immer niedriger sein als die des zweiten (C P):

C P 2 = (K + 4/3G)/ρ = E(1 - v)/(1 + v)(1-2v)ρ;

C S 2 = G/ρ = E/2(1 + v)ρ,

wobei K, E, G – Kompressions-, Young- und Schermodul; v - Poissonzahl. Bei der Berechnung der Schallgeschwindigkeit in einem Festkörper werden adiabatische Elastizitätsmodule verwendet.

Schallgeschwindigkeit in Mehrphasenmedien

In mehrphasigen Medien hängt die Schallgeschwindigkeit aufgrund der inelastischen Energieabsorption direkt von der Schwingungsfrequenz ab. In zwei Phasen poröses Material sie wird anhand der Bio-Nikolaevsky-Gleichungen berechnet.

Abschluss

Die Messung der Geschwindigkeit einer Schallwelle dient der Bestimmung verschiedener Eigenschaften von Stoffen, etwa des Elastizitätsmoduls eines Festkörpers, der Kompressibilität von Flüssigkeiten und Gasen. Eine empfindliche Methode zur Erkennung von Verunreinigungen ist die Messung kleiner Änderungen der Schallwellengeschwindigkeit. In Festkörpern ermöglicht die Schwankung dieses Indikators die Untersuchung der Bandstruktur von Halbleitern. Die Schallgeschwindigkeit ist eine sehr wichtige Größe, deren Messung uns viel über verschiedenste Medien, Körper und andere Objekte lernen lässt wissenschaftliche Forschung. Ohne die Fähigkeit, es zu bestimmen, wären viele wissenschaftliche Entdeckungen unmöglich.

Schallgeschwindigkeit- die Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen in einem Medium: sowohl longitudinal (in Gasen, Flüssigkeiten o Feststoffe) und transversale Scherung (in Festkörpern). Sie wird durch die Elastizität und Dichte des Mediums bestimmt: In Gasen ist die Schallgeschwindigkeit in der Regel geringer als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten geringer als in Festkörpern. Außerdem hängt die Schallgeschwindigkeit in Gasen von der Temperatur einer bestimmten Substanz ab, in Einkristallen von der Richtung der Wellenausbreitung. Hängt normalerweise nicht von der Frequenz der Welle und ihrer Amplitude ab; In Fällen, in denen die Schallgeschwindigkeit von der Frequenz abhängt, spricht man von Schallausbreitung.

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  Bereits bei antiken Autoren gibt es Hinweise darauf, dass Schall durch verursacht wird oszillierende Bewegung Körper (Ptolemäus, Euklid). Aristoteles stellt fest, dass die Schallgeschwindigkeit einen endlichen Wert hat, und stellt sich die Natur des Schalls richtig vor. Versuche, die Schallgeschwindigkeit experimentell zu bestimmen, reichen bis in die erste Hälfte des 17. Jahrhunderts zurück. F. Bacon wies im New Organon auf die Möglichkeit hin, die Schallgeschwindigkeit durch den Vergleich der Zeitintervalle zwischen einem Lichtblitz und dem Geräusch eines Schusses zu bestimmen. Mit dieser Methode bestimmten verschiedene Forscher (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, eine Gruppe von Wissenschaftlern der Pariser Akademie der Wissenschaften – D. Cassini, J. Picard, Huygens, Roemer) den Wert der Schallgeschwindigkeit (je nach Versuchsbedingungen 350-390 m/s). Theoretisch wurde die Frage der Schallgeschwindigkeit erstmals von I. Newton in seinen „Prinzipien“ behandelt. Tatsächlich ging Newton davon aus, dass die Schallausbreitung isotherm sei, und erhielt daher eine Unterschätzung. Der korrekte theoretische Wert für die Schallgeschwindigkeit wurde von Laplace ermittelt.

  Berechnung der Geschwindigkeit in Flüssigkeit und Gas

  Die Schallgeschwindigkeit in einer homogenen Flüssigkeit (oder einem Gas) wird nach folgender Formel berechnet:

  c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))

  Bei partiellen Ableitungen:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\ partielles p)(\partial v))\right)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (Cp)(Cv))\left((\frac (\partial p) (\partial v))\right)_(T))))

  Wo β (\displaystyle \beta)- adiabatische Kompressibilität des Mediums; ρ (\displaystyle \rho)- Dichte; C p (\displaystyle Cp)- isobare Wärmekapazität; C v (\displaystyle Cv)- isochore Wärmekapazität; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- Druck, spezifisches Volumen und Temperatur des Mediums; s (\displaystyle s)- Entropie des Mediums.

  Für Lösungen und andere komplexe physikalisch-chemische Systeme (z. B. Erdgas, Öl) können diese Ausdrücke einen sehr großen Fehler ergeben.

  Feststoffe

  Bei Vorhandensein von Grenzflächen kann elastische Energie durch Oberflächenwellen unterschiedlicher Art übertragen werden, deren Geschwindigkeit sich von der Geschwindigkeit von Longitudinal- und Transversalwellen unterscheidet. Die Energie dieser Schwingungen kann um ein Vielfaches größer sein als die Energie von Körperwellen.

  1,25. 3SCHALLWELLEN

  Das Konzept einer Schallwelle. Schallgeschwindigkeit in verschiedenen Medien. Physikalische Eigenschaften von Schall: Intensität, Spektrum, Tonhöhe, Lautstärke, Abklingen. Ultraschall und seine Anwendung. Doppler-Effekt. Stoßwellen.

  Schallwellen.

  Eine wichtige Art von Longitudinalwellen sind Schallwellen . Als solche bezeichnet man Wellen mit Frequenzen zwischen 17 und 20.000 Hz. Die Lehre vom Klang wird Akustik genannt. In der Akustik werden Wellen untersucht, die sich nicht nur in der Luft, sondern auch in jedem anderen Medium ausbreiten. Elastische Wellen mit einer Frequenz unter 17 Hz werden Infraschall und mit einer Frequenz über 20.000 Hz Ultraschall genannt.

  Schallwellen sind elastische Schwingungen, die sich in Form eines Wellenprozesses in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten..

  Zu hoher Schalldruck. Schallwellengleichung.

  Mit der elastischen Wellengleichung können Sie die Verschiebung eines beliebigen Punktes im Raum berechnen, durch den die Welle zu einem beliebigen Zeitpunkt verläuft. Aber wie können wir über die Verschiebung von Luft- oder Flüssigkeitspartikeln aus der Gleichgewichtslage sprechen? Schall, der sich in einer Flüssigkeit oder einem Gas ausbreitet, erzeugt Bereiche der Kompression und Verdünnung des Mediums, in denen der Druck im Vergleich zum Druck des ungestörten Mediums entsprechend zunimmt oder abnimmt.

  Wenn es sich um den Druck und die Dichte des ungestörten Mediums (des Mediums, durch das die Welle nicht geht) handelt und um den Druck und die Dichte des Mediums, wenn sich der Wellenprozess darin ausbreitet, dann wird die Größe genannt Überdruck . Größe Es gibt einen maximalen Überdruckwert (Überdruckamplitude ).

  Die Änderung des Überdrucks für eine ebene Schallwelle (d. h. die Gleichung für ebene Schallwellen) beträgt:

  Dabei ist y der Abstand von der Schwingungsquelle des Punktes, an dem wir den Überdruck zum Zeitpunkt t bestimmen.

  Wenn wir den Wert der Überschussdichte und ihre Amplitude auf die gleiche Weise einführen, wie wir den Wert des Überschussschalldrucks eingeführt haben, dann könnte die Gleichung einer ebenen Schallwelle wie folgt geschrieben werden:

  . (30.2)

  Schallgeschwindigkeit- Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen im Medium. In der Regel ist die Schallgeschwindigkeit in Gasen geringer als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten ist die Schallgeschwindigkeit geringer als in Festkörpern. Je größer die Dichte, desto größer die Schallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit in jedem Medium wird nach folgender Formel berechnet: wobei β die adiabatische Kompressibilität des Mediums ist; ρ die Dichte ist.

  Objektive und subjektive Eigenschaften des Klangs.

  Das Wort „Klang“ selbst spiegelt zwei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Konzepte wider: 1) Klang als physikalisches Phänomen; 2) Schall ist die Wahrnehmung, die das Hörgerät (das menschliche Ohr) erfährt, und die darin entstehenden Empfindungen. Dementsprechend werden Klangeigenschaften unterteilt in Zielsetzung , die mit physischen Geräten gemessen werden können, und MitZielsetzung , bestimmt durch die Wahrnehmung eines bestimmten Geräusches durch eine Person.

  Zu den objektiven (physikalischen) Eigenschaften des Schalls gehören Eigenschaften, die jeden Wellenprozess beschreiben: Frequenz, Intensität und spektrale Zusammensetzung. Zu Tabelle1. Vergleichsdaten zu objektiven und subjektiven Merkmalen sind enthalten.

  Tabelle 1.

  Schallfrequenz gemessen an der Anzahl der Schwingungen der am Wellenprozess beteiligten Teilchen des Mediums in 1 Sekunde.

  Intensität Welle wird anhand der Energie gemessen, die von der Welle pro Zeiteinheit durch eine Einheitsfläche (senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle) übertragen wird.

  Spektrale Zusammensetzung (Spektrum) Schall gibt an, aus welchen Schwingungen ein bestimmter Schall besteht und wie sich die Amplituden auf seine einzelnen Bestandteile verteilen.

  Unterscheiden kontinuierliche und Linienspektren . Um die Lautstärke subjektiv zu beurteilen, werden Größen genannt Schallintensitätspegel und Lautstärkepegel .

  Tabelle 2 -Objektive Merkmale mechanische Wellenprozesse.

  Menge und ihre Bezeichnung	Gleichung zur Bestimmung der Maßeinheit	Maßeinheit	Abkürzung
  Frequenz
  Schalldruck p		Newton pro Quadratmeter (Pascal)
  Schallenergiedichte		Joule pro Kubikmeter
  Schallenergiefluss (Schallleistung)
  Schallintensität I		Watt pro Quadratmeter

  Zur Charakterisierung der Größen, die die Wahrnehmung von Schall bestimmen, kommt es nicht so sehr auf die absoluten Werte von Schallintensität und Schalldruck an, sondern vielmehr auf deren Verhältnis zu bestimmten Schwellenwerten. Daher wird das Konzept der relativen Intensität und des Schalldruckpegels eingeführt.

  Damit eine Schallwelle vom Gehör wahrgenommen werden kann, muss ihre Intensität einen sogenannten Mindestwert überschreiten PHöhe der Hörbarkeit . Der Wert ist für verschiedene Frequenzen unterschiedlich. Bei der Frequenz liegt die Hörschwelle in der Größenordnung. Die Erfahrung hat gezeigt, dass es bei jeder Frequenz eine Obergrenze der Schallintensität gibt, oberhalb derer ein Mensch Schmerzen verspürt. Die Menge wird aufgerufen Schmerzgrenze.

  Intensitätsstufe (Schallintensitätspegel) ist gleich dem dezimalen Logarithmus des Verhältnisses der Schallintensität bei einer bestimmten Frequenz zur Schallintensität bei derselben Frequenz an der Hörschwelle:

  .

  Lautstärke - subjektive Wahrnehmung der Schallstärke (absoluter Wert der Hörempfindung). Die Lautstärke hängt hauptsächlich vom Schalldruck und der Frequenz der Schallschwingungen ab. Die Lautstärke eines Tons wird außerdem von seiner Klangfarbe, der Dauer der Einwirkung von Schallschwingungen und anderen Faktoren beeinflusst. Lautstärkepegel ist gleich dem dezimalen Logarithmus des Verhältnisses der Schallintensität bei einer bestimmten Frequenz zur Schallintensität bei einer Frequenz von 1000 Hz an der Hörschwelle:

  .

  Die Einheit der Intensitätsstufe ist Bel (B): . Ein Zehntel Weiß wird als Dezibel (dB) bezeichnet: 0,1B = 1dB. Die Formel zur Bestimmung der Intensitätsstufe in Dezibel sieht folgendermaßen aus:

  .

  Wenn wir die Formel für den Lautstärkepegel in das Formular schreiben , dann ist die SI-Maßeinheit mit dieser Mengendefinition eine Einheit namens von. Bei einer Frequenz von 1000 Hz sind die Hintergrund- und Dezibelskalen gleich, bei anderen Frequenzen sind sie unterschiedlich.

  Schalldruckpegel ist gleich dem Produkt des 20-fachen Logarithmus des Verhältnisses des Schalldrucks bei einer bestimmten Frequenz zum Schalldruck an der Hörschwelle. Die Maßeinheit ist in diesem Fall Dezibel.

  .

  Ultraschall: Mechanische Wellen mit einer Schwingfrequenz größer als 20.000 Hz werden vom Menschen nicht als Schall wahrgenommen.

  Ultraschall ist eine sich wellenförmig ausbreitende Schwingbewegung von Partikeln des Mediums und zeichnet sich durch eine Reihe von Merkmalen aus Unterscheidungsmerkmale im Vergleich zu Schwankungen im hörbaren Bereich. Im Ultraschallfrequenzbereich lässt sich relativ einfach eine gerichtete Strahlung erzielen; Ultraschallschwingungen lassen sich gut fokussieren, wodurch die Intensität der Ultraschallschwingungen in bestimmten Einflussbereichen zunimmt. Bei der Ausbreitung in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen erzeugt Ultraschall einzigartige Phänomene, von denen viele in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technologie praktische Anwendung gefunden haben. Seit Beginn der Forschung auf dem Gebiet der Ultraschallschwingungen sind etwas mehr als hundert Jahre vergangen. In dieser Zeit sind Dutzende hocheffizienter, ressourcenschonender und umweltfreundlicher Ultraschalltechnologien im Vermögen der Menschheit aufgetaucht. Dazu gehören: Technologien zum Härten, Verzinnen und Löten von Metallen, Verhindern der Zunderbildung auf Wärmeaustauschflächen, Bohren von spröden und besonders harten Materialien, Trocknen von thermolabilen Stoffen, Gewinnen tierischer und pflanzlicher Rohstoffe, Auflösen, Sterilisieren von flüssigen Stoffen, Feinsprühen von Medikamente, schwere Brennstoffe, Herstellung von Emulsionen und ultrafeinen Suspensionen, Dispergieren von Farbstoffen, Metallschweißen und Polymere, Waschen und Reinigen von Teilen ohne Verwendung brennbarer und giftiger Lösungsmittel.

  In den letzten Jahren hat Ultraschall begonnen, eine immer wichtigere Rolle in der Industrie und der wissenschaftlichen Forschung zu spielen. Im Bereich der Ultraschallkavitation und der akustischen Strömungen wurden erfolgreich theoretische und experimentelle Studien durchgeführt, die die Entwicklung neuer technologischer Prozesse ermöglichten, die unter dem Einfluss von Ultraschall in der flüssigen Phase ablaufen. Derzeit entsteht eine neue Richtung der Chemie – die Ultraschallchemie, die es ermöglicht, viele chemisch-technologische Prozesse zu beschleunigen und neue Stoffe zu gewinnen. Die wissenschaftliche Forschung trug zur Entstehung eines neuen Zweigs der Akustik bei – der Molekularakustik, die die molekulare Wechselwirkung von Schallwellen mit Materie untersucht. Neue Anwendungsgebiete des Ultraschalls sind entstanden: Introskopie, Holographie, Quantenakustik, Ultraschallphasenmetrie, Akustoelektronik.

  Neben theoretischen und experimentellen Forschungen auf dem Gebiet des Ultraschalls wurden zahlreiche praktische Arbeiten durchgeführt. Es wurden universelle und spezielle Ultraschallmaschinen, Anlagen mit erhöhtem statischen Druck, ultraschallmechanisierte Anlagen zur Reinigung von Teilen, Generatoren mit erhöhter Frequenz und einem neuen Kühlsystem sowie Konverter mit gleichmäßig verteiltem Feld entwickelt.

  Ein Echolot ist ein Gerät zur Bestimmung der Meerestiefe. Mithilfe eines Ultraschallortungsgeräts wird die Entfernung zu einem Hindernis auf dem Weg ermittelt. Wenn Ultraschall eine Flüssigkeit durchdringt, erhalten die Flüssigkeitspartikel große Beschleunigungen und beeinflussen stark verschiedene in der Flüssigkeit befindliche Körper. Dies dient dazu, verschiedene technologische Prozesse zu beschleunigen (z. B. Lösungen vorbereiten, Teile waschen, Leder gerben usw.). Ultraschall wird zur Erkennung von Defekten an Metallteilen eingesetzt. In der Medizin werden Ultraschalluntersuchungen innerer Organe durchgeführt.

  Doppler-Effekt wird als Änderung der vom Empfänger wahrgenommenen Schwingungsfrequenz bezeichnet, wenn sich die Quelle dieser Schwingungen und der Empfänger relativ zueinander bewegen.

  Um den Doppler-Effekt zu berücksichtigen, gehen Sie davon aus, dass sich Schallquelle und Empfänger entlang der geraden Linie bewegen, die sie verbindet. v ich stehe v pr – jeweils die Bewegungsgeschwindigkeit der Quelle und des Empfängers, und sie sind positiv, wenn sich die Quelle (Empfänger) dem Empfänger (Quelle) nähert, und negativ, wenn sie sich wegbewegt. Die Schwingungsfrequenz der Quelle beträgt v 0 .

  1. Quelle und Empfänger ruhen relativ zum Medium, d.h. v ist = v pr =0. Wenn v - die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle im betrachteten Medium, dann die Wellenlänge l= vT= v/ v 0 . Die Welle breitet sich im Medium aus, erreicht den Empfänger und bringt dessen schallempfindliches Element dazu, mit einer Frequenz zu schwingen

  Daher die Frequenz v Der Ton, den der Empfänger registriert, entspricht der Frequenz v 0, bei dem die Schallwelle von der Quelle ausgesendet wird.

  2. Der Empfänger nähert sich der Quelle und die Quelle ruht. d.h. v pr >0, v ist =0. IN in diesem Fall Die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung relativ zum Empfänger wird gleich v + v usw. Da sich die Wellenlänge also nicht ändert

  (30.4)

  d. h. die vom Empfänger wahrgenommene Schwingungsfrequenz in ( v+ v usw) / v mal der Schwingungsfrequenz der Quelle.

  3. Die Quelle nähert sich dem Nachfolger und der Empfänger ruht. d.h. v ist >0, v pr =0.

  Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schwingungen hängt nur von den Eigenschaften des Mediums ab. Daher legt die von ihr ausgesendete Welle in einer Zeit, die der Schwingungsperiode der Quelle entspricht, eine Strecke in Richtung des Empfängers zurück vT(gleich der Wellenlänge l), unabhängig davon, ob sich die Quelle bewegt oder ruht. Gleichzeitig legt die Quelle eine Strecke in Richtung der Welle zurück v ist T(Abb. 224), d. h. die Wellenlänge in Bewegungsrichtung wird kürzer und gleich l"=l-v ist T=(v-v ist) T, Dann

  (30.5)

  d.h. Frequenz N Die vom Empfänger wahrgenommenen Vibrationen nehmen um zu v/(v – v ist) Zeiten. In den Fällen 2 und 3, wenn v ist<0 и v usw<0, знак будет обратным.

  4. Quelle und Empfänger bewegen sich relativ zueinander. Anhand der für die Fälle 2 und 3 erhaltenen Ergebnisse können wir einen Ausdruck für die vom Empfänger wahrgenommene Schwingungsfrequenz schreiben:

  (30.6)

  Darüber hinaus wird das obere Vorzeichen verwendet, wenn sich die Quelle oder der Empfänger bei der Bewegung einander nähern, das untere Vorzeichen, wenn sie sich voneinander entfernen.

  Aus den obigen Formeln folgt, dass der Doppler-Effekt unterschiedlich ist, je nachdem, ob sich die Quelle oder der Empfänger bewegt. Wenn die Geschwindigkeit Richtungen v bei v Wenn sie nicht mit der Geraden durch Quelle und Empfänger zusammenfallen, müssen wir anstelle dieser Geschwindigkeiten in Formel (30.6) ihre Projektionen auf die Richtung dieser Geraden nehmen.

  Stoßwelle: Bruchfläche, die sich relativ zu Gas/Flüssigkeit/Feststoffen bewegt und bei deren Schnittpunkt Druck, Dichte,

  Temperatur und Geschwindigkeit erleben einen Sprung.

  Stoßwellen treten bei Explosionen, Detonationen, bei Überschallbewegungen von Körpern und bei starken elektrischen Wellen auf. Entladungen usw. Beispielsweise entstehen bei einer explosionsartigen Explosion stark erhitzte Explosionsprodukte, die eine hohe Dichte aufweisen und unter hohem Druck stehen. Im ersten Moment sind sie von ruhender Luft normaler Dichte und Atmosphärendruck umgeben. Die expandierenden Produkte der Explosion komprimieren die umgebende Luft, und zu jedem Zeitpunkt wird nur die Luft komprimiert, die sich in einem bestimmten Volumen befindet; Außerhalb dieses Volumens bleibt die Luft in einem ungestörten Zustand. Mit der Zeit nimmt die Druckluftmenge zu. Die Oberfläche, die die komprimierte Luft von der ungestörten Luft trennt, ist die Vorderseite der Stoßwelle. In einer Reihe von Fällen der Überschallbewegung von Körpern in Gas (Artilleriegeschosse, Landungen von Raumfahrzeugen) stimmt die Richtung der Gasbewegung nicht mit der Normalen zur Oberfläche der Stoßwellenfront überein, und es entstehen schräge Stoßwellen .

  Ein Beispiel für die Entstehung und Ausbreitung einer Stoßwelle ist die Kompression von Gas in einem Rohr durch einen Kolben. Bewegt sich der Kolben langsam in das Gas hinein, dann mit Schallgeschwindigkeit durch das Gas A Akustische Läufe (elastische) Kompressionswelle. Ist die Geschwindigkeit des Kolbens nicht klein gegenüber der Schallgeschwindigkeit, entsteht eine Stoßwelle, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit durch das ungestörte Gas größer ist als die Bewegungsgeschwindigkeit von Gasteilchen (die sogenannte Massengeschwindigkeit), was mit der Geschwindigkeit des Kolbens übereinstimmt. Aufgrund der Gaskompression sind die Abstände zwischen den Teilchen in einer Stoßwelle kleiner als in einem ungestörten Gas. Wird der Kolben zunächst mit geringer Geschwindigkeit ins Gas gedrückt und dann allmählich beschleunigt, entsteht nicht sofort eine Stoßwelle. Zunächst erscheint eine Kompressionswelle mit kontinuierlichen Verteilungen der Dichte r und des Drucks R. Mit der Zeit nimmt die Steilheit des vorderen Teils der Kompressionswelle zu, da Störungen durch den sich beschleunigend bewegenden Kolben ihn einholen und verstärken, was zu einem starken Sprung in der gesamten hydrodynamischen Dynamik führt. Mengen, d.h. Stoßwelle

  Stoßwelle in echten Gasen. In einem realen Gas kommt es bei hohen Temperaturen zur Anregung molekularer Schwingungen, zur Dissoziation von Molekülen, zu chemischen Reaktionen, zur Ionisation usw., was mit einem Energieaufwand und einer Änderung der Teilchenzahl verbunden ist. In diesem Fall hängt die innere Energie e in komplexer Weise davon ab P Und ρ und Gasparameter hinter der Front.

  Um die Energie eines in einer starken Stoßwelle komprimierten und erhitzten Gases über verschiedene Freiheitsgrade umzuverteilen, sind normalerweise viele Kollisionen von Molekülen erforderlich. Daher ist die Breite der Dx-Schicht, in der der Übergang vom anfänglichen zum endgültigen thermodynamischen Gleichgewichtszustand stattfindet, d. h. die Breite der Stoßwellenfront, in realen Gasen normalerweise viel größer als die Breite des viskosen Stoßes und wird bestimmt zum Zeitpunkt Entspannung der langsamste der Prozesse: Anregung von Schwingungen, Dissoziation, Ionisation usw. Verteilungen

  Reis. 25.1 Verteilung von Temperatur (a) und Dichte (b) in einer sich in einem realen Gas ausbreitenden Stoßwelle .

  Die Temperaturen und Dichten in der Stoßwelle haben dann die in Abb. 25.1, wo die viskose Stoßwelle als Explosion dargestellt ist.

  Stoßwelle in Festkörpern. Energie und Druck in Festkörpern haben einen doppelten Charakter: Sie sind mit thermischer Bewegung und mit der Wechselwirkung von Partikeln (thermische und elastische Komponenten) verbunden. Die Theorie der interpartikulären Kräfte kann keine allgemeine Abhängigkeit der elastischen Komponenten von Druck und Energie von der Dichte in einem weiten Bereich für verschiedene Substanzen liefern, und daher ist es theoretisch unmöglich, eine Funktion zu konstruieren, die sich auf ( P,ρ) vor und hinter der Stoßwellenfront. Daher werden Berechnungen für feste (und flüssige) Körper aus Erfahrung oder semiempirisch ermittelt. Für eine signifikante Verdichtung von Feststoffen sind Drücke von Millionen Atmosphären nötig, die mittlerweile in experimentellen Studien erreicht werden. In der Praxis sind schwache Stoßwellen mit Drücken von 10 4 -10 5 atm von großer Bedeutung. Dies sind Drücke, die bei Detonationen, Explosionen im Wasser, Einwirkungen von Explosionsprodukten auf Hindernisse usw. entstehen. Bei einer Reihe von Stoffen – Eisen, Wismut und anderen – kommt es in der Stoßwelle zu Phasenübergängen – polymorphen Umwandlungen. Bei niedrigen Drücken in Feststoffen elastische Wellen , deren Ausbreitung, ebenso wie die Ausbreitung schwacher Kompressionswellen in Gasen, auf der Grundlage der Gesetze der Akustik betrachtet werden kann.

  Für die Schallausbreitung ist ein elastisches Medium erforderlich. Im Vakuum können sich Schallwellen nicht ausbreiten, da dort nichts vibrieren kann. Dies kann durch einfache Erfahrung bestätigt werden. Wenn Sie eine elektrische Glocke unter einer Glasglocke platzieren, wird der Klang der Glocke immer schwächer, bis er ganz verstummt, wenn die Luft unter der Glocke herausgepumpt wird.

  Es ist bekannt, dass wir bei einem Gewitter einen Blitz sehen und erst nach einer Weile das Grollen des Donners hören. Diese Verzögerung entsteht, weil die Schallgeschwindigkeit in der Luft viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit eines Blitzes.

  Die Schallgeschwindigkeit in Luft wurde erstmals 1636 vom französischen Wissenschaftler M. Mersenne gemessen. Bei einer Temperatur von 20 °C beträgt sie 343 m/s, also 1235 km/h. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit einer aus einem Kalaschnikow-Sturmgewehr abgefeuerten Kugel in einer Entfernung von 800 m auf diesen Wert abnimmt. Die Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses beträgt 825 m/s und liegt damit deutlich über der Schallgeschwindigkeit in Luft. Wer also das Geräusch eines Schusses oder das Pfeifen einer Kugel hört, muss sich keine Sorgen machen: Diese Kugel ist bereits an ihm vorbeigegangen. Die Kugel läuft schneller als der Schuss und erreicht ihr Opfer, bevor der Schall eintrifft.

  Die Schallgeschwindigkeit in Gasen hängt von der Temperatur des Mediums ab: Mit steigender Lufttemperatur nimmt sie zu, mit sinkender Temperatur ab. Bei 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 332 m/s.

  Schall breitet sich in verschiedenen Gasen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Je größer die Masse der Gasmoleküle ist, desto geringer ist die Schallgeschwindigkeit darin. Bei einer Temperatur von 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff 1284 m/s, in Helium 965 m/s und in Sauerstoff 316 m/s.

  Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten ist normalerweise größer als die Schallgeschwindigkeit in Gasen. Die Schallgeschwindigkeit im Wasser wurde erstmals 1826 von J. Colladon und J. Sturm gemessen. Ihre Experimente führten sie am Genfersee in der Schweiz durch. Auf einem Boot zündeten sie Schießpulver an und schlugen gleichzeitig auf eine ins Wasser gesenkte Glocke ein. Der Klang dieser ins Wasser gesenkten Glocke wurde von einem anderen Boot aufgenommen, das sich 14 km vom ersten entfernt befand. Anhand des Zeitintervalls zwischen dem Aufblitzen des Lichtsignals und dem Eintreffen des Tonsignals wurde die Schallgeschwindigkeit im Wasser bestimmt. Bei einer Temperatur von 8°C betrug sie 1440 m/s.

  Die Schallgeschwindigkeit ist in Festkörpern größer als in Flüssigkeiten und Gasen. Wenn Sie Ihr Ohr an die Schiene halten, sind nach dem Auftreffen auf das andere Ende der Schiene zwei Geräusche zu hören. Einer von ihnen erreicht das Ohr per Bahn, der andere auf dem Luftweg.

  Die Erde hat eine gute Schallleitfähigkeit. Daher wurden früher während einer Belagerung „Zuhörer“ in den Festungsmauern angebracht, die anhand des von der Erde übertragenen Geräusches feststellen konnten, ob sich der Feind in die Mauern grub oder nicht. Sie legten ihre Ohren auf den Boden und beobachteten auch die Annäherung feindlicher Kavallerie.

  Feststoffe leiten Schall gut. Dadurch können Menschen, die ihr Gehör verloren haben, manchmal zu Musik tanzen, die die Hörnerven nicht über die Luft und das Außenohr, sondern über den Boden und die Knochen erreicht.

  Die Schallgeschwindigkeit kann durch Kenntnis der Wellenlänge und Frequenz (oder Periode) der Schwingung bestimmt werden.

  Schallgeschwindigkeit.

  Schallgeschwindigkeit– die Bewegungsgeschwindigkeit im Medium einer elastischen Welle, sofern die Form ihres Profils unverändert bleibt. Zum Beispiel für eine ebene Welle, die sich ausbreitet, ohne ihre Form mit der Geschwindigkeit zu ändern Mit in Richtung der Achse X, Schalldruck kann geschrieben werden als: p=p(x-st), Wo T ist Zeit und Funktion R Gibt die Form des Wellenprofils an. Für harmonisch Wellen ð= À cos(w t – kx + j). Eine Schallwelle wird durch die Frequenz ausgedrückt w und Wellenzahl k Formel Die Geschwindigkeit harmonischer Wellen wird auch Phasengeschwindigkeit des Schalls genannt. In Medien, in denen sich die Form beliebig geformter Wellen während der Ausbreitung ändert, behalten harmonische Wellen zwar ihre Form bei, die Phasengeschwindigkeit erweist sich jedoch für verschiedene Frequenzen als unterschiedlich, d. h. Es hat Platzieren Sie die Ausbreitung der Schallgeschwindigkeit. In diesen Fällen wird das Konzept auch verwendet Gruppengeschwindigkeit. Bei großen Amplituden treten elastische Wellen auf nichtlineare Effekte, was zu einer Veränderung der Form aller Wellen führt, inkl. harmonisch, so dass der Begriff der Schallgeschwindigkeit seine Definition verliert. In diesem Fall hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit jedes Punktes des Wellenprofils von der Druckamplitude an diesem Punkt ab. Diese Geschwindigkeit nimmt mit zunehmendem Druck an einem bestimmten Punkt im Profil zu, was zu einer Verzerrung der Wellenform führt.

  Schallgeschwindigkeit in Gasen und Flüssigkeiten. In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Schall in Form volumetrischer Verdünnungs-Kompressionswellen aus, und der Prozess erfolgt normalerweise adiabatisch, d. h. Die Temperaturänderung in der Schallwelle hat keine Zeit, sich auszugleichen, weil In der halben Periode hat die Wärme keine Zeit, von beheizten (komprimierten) Bereichen in kalte (verdünnte) Bereiche zu gelangen.

  Die Schallgeschwindigkeit ist in Gasen geringer als in Flüssigkeiten und in Flüssigkeiten in der Regel geringer als in Festkörpern. Tabelle 2.1 zeigt die Schallgeschwindigkeit für einige Gase und Flüssigkeiten.

  Tabelle 2.1

  Die Schallgeschwindigkeit in idealen Gasen bei einer bestimmten Temperatur hängt nicht vom Druck ab und nimmt mit steigender Temperatur zu, wobei T die absolute Temperatur ist. Die Änderung der Schallgeschwindigkeit pro Grad beträgt . Bei Raumtemperatur beträgt die relative Änderung der Schallgeschwindigkeit in der Luft bei einer Temperaturänderung von 1 Grad etwa 0,17 %. In Flüssigkeiten nimmt die Schallgeschwindigkeit in der Regel mit steigender Temperatur ab und die Temperaturänderung pro Grad beträgt beispielsweise - 5,5 m/s×Grad für Aceton und - 3,6 m/s×Grad für Ethylalkohol. Eine Ausnahme von dieser Regel bildet Wasser, bei dem die Schallgeschwindigkeit bei Raumtemperatur mit steigender Temperatur um 2,5 m/s×Grad zunimmt, bei einer Temperatur von » 74 °C ein Maximum erreicht und bei weiterer Temperaturerhöhung abnimmt. Die Schallgeschwindigkeit in Wasser erhöht sich mit zunehmendem Druck um etwa 0,01 % pro 1 Atmosphäre; Darüber hinaus nimmt die Schallgeschwindigkeit im Wasser mit zunehmendem Gehalt an darin gelösten Salzen zu.

  In verflüssigten Gasen ist die Schallgeschwindigkeit größer als in Gas gleicher Temperatur. So beträgt beispielsweise in gasförmigem Stickstoff bei einer Temperatur von minus 195 °C die Schallgeschwindigkeit 176 m/s und in flüssigem Stickstoff bei derselben Temperatur minus 859 m/s; in gasförmigem und flüssigem Helium bei minus 269 °C beträgt sie 102 m/s bzw. 198 m/s.

  In wässrigen Lösungen von Salzen nimmt die Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Konzentration über den gesamten Konzentrationsbereich zu. Somit können Schallgeschwindigkeitsmessungen dazu dienen, die Konzentration von Bestandteilen von Gemischen und Lösungen zu bestimmen und zu kontrollieren.

  Schallgeschwindigkeit in Festkörpern. Die Schallgeschwindigkeit in isotropen Festkörpern wird durch die Elastizitätsmodule des Stoffes bestimmt. In einem unbegrenzten festen Medium breiten sich Längs- und Scherbewegungen (quer) aus elastische Wellen, und die Phasengeschwindigkeit des Schalls für eine Longitudinalwelle ist gleich:

  und für Scherung

  ,

  Wo E- Elastizitätsmodul; R- Dichte des Stoffes; G– Schubmodul; N- Poissonzahl; ZU– volumetrischer Kompressionsmodul. In Metallen, wo n=0,3, können Sie die Abhängigkeit des Verhältnisses der Schallgeschwindigkeiten in Abb. verfolgen. 2.2.

  Reis. 2.2. Abhängigkeit des Verhältnisses der Geschwindigkeiten von Longitudinal-, Transversal-, Oberflächenwellen und Wellen in den Stäben (bei d<<1) от коэффициента Пуассона.

  Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen ist immer größer als die Geschwindigkeit von Scherwellen, die Beziehung ist also erfüllt. Die Werte der Längs- und Querschallgeschwindigkeit für einige Feststoffe sind in Tabelle 2.2 angegeben.

  Tabelle 2.2

  Schallgeschwindigkeit in einigen Festkörpern.

  Material	MS	MS	S st, m/s
  Beton	4200-5300	-	-
  Polystyrol	2350-2380		1860-2240
  Eisen	5835-5950	3180-3240	5000-5200
  Gold	3200-3240
  Platin	3260-3960	1670-1730	2690-2800
  Führen	1960-2400	700-790	1200-1320
  Zink	4170-4210		3700-3850
  Silber	3650-3700	1600-1690	2610-2800
  Kohlenstoffstähle	5900 - 5940	3220 – 3250	5099-5177
  Rostfreier Stahl	5660 – 6140	3120 – 3250
  Titan
  Kupfer
  Aluminiumlegierung AMG

  In gebundenen Festkörpern gibt es neben Longitudinal- und Transversalwellen noch weitere Wellentypen. Somit breitet sich eine bestimmte Art von Wellen entlang der freien Oberfläche eines Festkörpers oder entlang seiner Grenze zu einem anderen Medium aus – Oberflächenwellen, dessen Geschwindigkeit geringer ist als alle anderen Schallgeschwindigkeiten für einen bestimmten Festkörper. In Platten, Stäben und anderen massiven akustischen Wellenleitern breiten sie sich aus normale Wellen, deren Geschwindigkeit nicht nur durch die elastischen Eigenschaften des Stoffes, sondern auch durch die Geometrie des Körpers bestimmt wird. So ist beispielsweise die Schallgeschwindigkeit für eine Longitudinalwelle in einem Stab, dessen Querabmessungen viel kleiner als die Wellenlänge sind, gleich: . Tabelle 2.2 zeigt die Schallgeschwindigkeit in einem dünnen Stab für einige Materialien.