к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Поглощение звука
Поглощение звука - явление необратимого перехода энергии звуковой волны в др. виды энергии, в основном в теплоту. П. з. обычно характеризуется коэф. П. з. определяемым как обратная величина того расстояния, на к-ром амплитуда звуковой волны спадает в е раз. Амплитуда плоской звуковой волны, бегущей вдоль оси х, убывает с расстоянием как а интенсивность - как Амплитуда стоячей звуковой волны после выключения источника звука убывает со временем как где с - скорость звука, t - время. Коэф. П. з. выражают в м^-1, т. е. в неперах на метр или же в децибелах на метр (1 дБ/м = 0,115 Нп/м). В гидроакустике часто пользуются единицей дБ/км. П. з. можно характеризовать также коэф. потерь (где - длина звуковой волны) или добротностью Q = 1/ Величина наз. логарифмич. декрементом затухания звука. При распространении звука в среде, обладающей сдвиговой и объёмной вязкостями и теплопроводностью, коэф. П. з. для продольной волны равен 

где - плотность среды, - круговая частота звуковой волны, и - коэф. сдвиговой и объёмной вязкости, - коэф. теплопроводности, с_Р и с_V - теплоёмкости среды при пост. давлении и объёме соответственно. В области низких частот, где ни один коэф. не зависит от частоты, для характеристики П. з. часто пользуются величиной к-рая в этом случае также не зависит от частоты и является параметром, характеризующим свойства среды. Значение как правило, в жидкостях меньше, чем в газах, а в твёрдых телах меньше, чем в жидкостях. Выражение (1) дляприменимо только для звуковых волн малой амплитуды. П. з., обусловленное сдвиговой вязкостью и теплопроводностью, наз. классическим и характеризуется коэф. 
Часть коэф. П. з., к-рая пропорц. объёмной вязкости, связана с релаксац. процессами (см. Релаксация акустическая ).На высоких частотах коэф. объёмной вязкости начинает зависеть от частоты, вследствие чего имеет частотную зависимость, отличающуюся от Коэф. П. з., связанный с релаксацией, имеет вид 

где - время релаксации, с_0 - скорость распространения звука при малых частотах - скорость звука при высоких частотах Полный коэф. поглощения 

На низких частотах, т. е. при коэф. П. з. описывается ф-лой (1), где Величина прирастёт с увеличением частоты, а на частоте релаксации имеет максимум (рис. 1). 

Рис. 1. Зависимость величины от f/p для СО_2 при температуре 21°С. 

Величина постоянная при в области частот, близких к уменьшается с ростом частоты, а при стремится к нулю, причём стремится к пост. величине Релаксац. поглощение всегда сопровождается дисперсией звука. 
Релаксация связана с разл. внутримолекулярными и межмолекулярными процессами, происходящими в среде под действием УЗ, поэтому анализ частотных и температурных зависимостей коэф. П. з. позволяет судить об этих процессах. Частота релаксации для разных веществ может лежать как в ультразвуковой, так и в гиперзвуковой области; величина её зависит от температуры, давления, примесей др. веществ и от др. факторов. Исследованием поглощения и скорости звука в зависимости от частоты, температуры, давления, концентрации примесей и др. фпз. величин занимается молекулярная акустика. 

П. з. в газе. Теплопроводность и сдвиговая вязкость в газах дают вклад в П. з. одного порядка величины. Вклад объёмной вязкости и релаксац. процессов значителен для многоатомных газов, тогда как в одноатомных газах релаксац. процессы отсутствуют и Данные о П. з. в нек-рых газах в УЗ-диапазоне частот приведены в табл. 1. 

Табл. 1. -  Поглощение ультразвука в газах 
Газ | Частота f, кГц | Давление р, атм. | х 10^11, м^-1с^2 |
| | | эксперимент | теория (классическая) |
Воздух .......... | 132 - 400 1160 | 1,0 1,0 | 2,94-3,99 1,67 | 1,24 |
Углекислый газ ...... | 304,4 | 0,98 | 27, 1 | 1,30 |
Водород ..... | 598,4 | 1,0 | 3,58 | 0,17 |
Окись азота | 598,9 | 0,95 | 1,83 | 1,56 |
Кислород........ | 598,9 | 0,99 | 1,68 | 1,49 |
Аргон ........... | 4250 | 1,0 | 1,9 | 1,9 |
Азот ............ | 598,9 | 0,97 | 1,35 | 1,3 |

Из табл. видно, что в ряде случаев измеренные значения П. з. заметно превышают Это указывает на существенный вклад релаксац. процессов. П. з. в СО_2 довольно велико (рис. 1), напр., на частоте 50 кГц при комнатной температуре и нормальном давлении величина2 х 10^-3 м^-1, т. е. волна затухает в е раз на расстоянии 5 см. 
В газах произведение П. з. на длину волны при заданной температуре зависит не только от частоты, но и от давления в газе р, т. е. от отношения f/p, поскольку время релаксации в газах обратно пропорц. числу соударений молекул, а следовательно, давлению газа р. 
В таких газах, как СО_2, CS_2, CO и др., осн. вклад в П. з. даёт релаксац. процесс возбуждения колебат. степеней свободы. В более сложных системах может иметь место как колебательная, так и вращат. релаксация, причём обычно частоты релаксации этих процессов различаются на неск. порядков. 
Примеси посторонних газов заметно влияют как на величину так и на П. з. в воздухе зависит от его влажности (рис. 2). В воздухе на частотах ниже 1 МГц осн. вклад в П. з. даёт колебат. релаксация молекул О_2 и Н_2. В сильно разреженных газах, т. е. при больших значениях отношений f/p, когда длина волны звука становится сравнимой с длиной свободного пробега молекул, для описания П. з. нужно пользоваться кинетич. теорией газов. 

Рис. 2. Зависимостьв воздухе от относительной влажности при разных частотах. 

При распространении звука в помещениях, сосудах и трубах на П. з. в среде накладывается поглощение в пограничном слое, к-рое пропорц. величине где - глубина проникновения вязкой волны. В малых объёмах поглощение в пограничном слое может оказаться преобладающим. 

П. з. в жидкостях. П. з. в обычных жидкостях в основном определяется вязкостью (как сдвиговой, так и объёмной). В большинстве жидкостей эксперим. значения коэф. П. з. существенно превышают значения, даваемые классич. теорией, что свидетельствует о большом вкладе релаксац. процессов. Релаксац. поглощение в жидкостях может быть обусловлено колебат. релаксацией, структурной релаксацией (ассоцииров. жидкости, поведение к-рых похоже на поведение воды), поворотно-изомерной релаксацией, диссоциацией растворённых веществ в растворах электролитов и пр. 
В жидкостях частота релаксации, как правило, очень велика, поэтому область релаксации часто оказывается лежащей в диапазоне гиперзвуковых частот. В этих случаях прирелаксац. процессы приводят к большим значениям и существенным отклонениям от классич. значений(табл. 2), но качеств. характер частотной зависимости ~ f^2 сохраняется до высоких УЗ-частот. Коэф. поглощения в жидкостях обычно сильно зависит от температуры (рис. 3). 

Табл. 2. -  Теоретические и экспериментальные значения поглощения ультразвука в жидкостях 
Жидкость | Частота f, МГц | x 10^15, м^-1c^2 |
| | эксперимент | теория (классическая) |
Вода .............. | 1-250 | 23 | 8,5 |
Ацетон ............. | 6 - 70 | 30 | 7,0 |
Толуол ............. | 1 - 75 | 80 | 7,8 |
Четырёххлористый углерод | 1 - 100 | 500 | 20,0 |
Уксусная кислота ... | 1,5-67,5 | 9000- 158 | 17 |
Глицерин (30°С) .... | 22,3 | 2730 | 1600 |
Этиловый спирт..... | 1 - 220 | 55 | 20 |
Ртуть .............. | 21-996 | 12-13 | 10,3 |
Аргон (-187, 8°С) ... | 44,4 | 10,1 | 8,1 |

Рис. 3. Зависимостьот температуры для жидкости (гексатриола) со структурной релаксацией: 1 - для 3 МГц; 2 - для 22 МГц. 

Температурные кривые поглощения имеют максимум, величина и положение к-рого зависят от частоты: с увеличением частоты максимум сдвигается в сторону больших температур и величина растёт, что свидетельствует об увеличении времени релаксации при понижении температуры. 
П. з. в растворах электролитов связано с хим. релаксацией и диссоциацией растворённых веществ. П. з. в морской воде довольно велико, оно заметно превышает поглощение в пресной воде. Это связано с двумя релаксац. процессами и зависит от солёности и температуры морской воды: на частотах от 10 до 100 кГц преобладает поглощение, обусловленное релаксацией солей сульфата магния, а на частотах ниже 10 кГц вклад в поглощение даёт релаксация солей борной к-ты. На низких частотах (0,1 - 3 кГц) для расчёта морской воды можно пользоваться приближённой эмпирич. ф-лой 

где f - частота в кГц, - в дБ/км. В области частот 5 - 60 кГц для качеств. оценок поглощения иногда пользуются зависимостью где частота f в кГц, а в дБ/км. Измерение значения П. з. в море на НЧ часто заметно превышают расчётные (рис. 4). В жидкости с пузырьками газа П. з. имеет резонансный характер. Добавка к коэф. П. з., обусловленная пузырьками газа, равна дБ/длина, где N - число пузырьков в единице объёма, - сечение рассеяния одиночного пузырька. Для пузырьков одного размера с радиусом а 

где k - волновое число в жидкости, - величина, характеризующая потери в пузырьке газа. Резонансная частота пузырька с радиусом а равна 
где для газа, Р_0 и - давление и плотность жидкости. Отсюда видно, что когда частота звуковой волны совпадает с резонансной частотой пузырька, П. з. резко увеличивается. 

Рис. 4. Поглощение звука в морской воде: 1 - расчётное релаксационное поглощение; 2 - измеренные значения. 

Полное поглощение в среде с пузырьками газа представляет собой сумму коэф. поглощения для чистой жидкости и величины В высокополимерах, резинах и пластмассах П. з. сильно зависит от состава и структуры материала. В этих веществах определяющий вклад в П. з. вносят релаксац. процессы, причём, как правило, имеется широкий спектр времён релаксации. Под действием УЗ-волны происходит сворачивание и разворачивание клубков молекул полимеров. Область релаксации для разных материалов может лежать как в низкочастотном, так и в мегагерцевом диапазонах частот. Зависимость от температуры имеет одни или неск. максимумов, положение к-рых зависит как от материала, так и от частоты звука. С ростом частоты положение максимумов сдвигается в сторону больших температур. Для вулканизир. резины прп частоте 10 МГц имеется максимум прп температуре40 °С, в полистироле - при температуре порядка - 10 °С. Величина коэф. П. з. в резине прп f = 10 МГц составляет неск. сотен дБ/см. 
Величина П. з. в веществах биол. происхождения имеет большой разброс, т. к. зависит от способа приготовления образца, условий и метода измерения. Нек-рые данные приведены в табл. 3 и на рис. 5. В биол. тканях часто бывает трудно отделить истинное П. з. от др. механизмов, приводящих к уменьшению амплитуды звука. 

Табл. 3. - Поглощение ультразвука в биологических средах 

Биологическая 
среда

см ^-1

| при f=1 МГц | при f=ЗМГц
Кровь ........... | 0,023 |
Жир ............ | 0,044 - 0,09 |
Кожа ........... | 0,14 - 0,66 |
Хрящ .......... | 0,58 |
Кость черепа ....... | 1,5-2,2 |
Лёгкое ........... | 3,5-5 |

П. з. в твёрдых телах. В твёрдых телах П. з. различно для продольных и сдвиговых волн. Это связано как с различием скорости звука для этих волн, так и с тем, что в П. з. для продольной и сдвиговой волн могут давать вклад разл. механизмы. Для определения в твёрдом теле, как правило, ф-лой (1) не пользуются, т. к. в этом случае П. з. может определяться механизмами, не укладывающимися в простую схему, на основании к-рой выведена эта ф-ла. П. з. в твёрдых телах вызывается в основном внутренним трением и теплопроводностью среды, а на ВЧ и при низких темп-pax -разл. процессами взаимодействия УЗ- и гиперзвуковых волн с возбуждениями в твёрдом теле, такими, как тепловые колебания решётки (фононы), электроны, спиновые волны и пр. На поглощение сдвиговых волн в однородных твёрдых телах теплопроводность и др. объёмные эффекты не влияют, т. к. сдвиговые волны но связаны с изменением объёма. 

Рис. 5. Поглощение звука в тканях биологического происхождения. 

П. з. в твёрдом теле зависит от кристаллпч. состояния вещества (в монокристаллах коэф. П. з. обычно меньше, чем в поликристаллах), от наличия дефектов и примесей, от предварит. обработки, к-рой был подвергнут материал (для металлов - ковка, прокат, отжиг, закалка) и т. п. Внутр. трение в кристаллах при комнатной температуре сильно зависит от наличия дислокаций. Под действием звука в кристалле возникают переменные упругие напряжения, к-рые возбуждают колебат. движения дислокаций. Взаимодействие этих колебаний с фононами решётки приводит к дополнит. П. з. Различаются три осн. механизма дислокац. П. з.: струнный, при к-ром дислокация рассматривается как струна длиной l, закреплённая в двух точках и колеблющаяся под действием звука в вязкой среде (рис. 6,а); гнетерезисный, обусловленный отрывом дислокаций от их точек закрепления при больших амплитудах колебаний (рис. 6, б, в); релаксационный, связанный с дефектами, возникающими в самом процессе деформации и проявляющийся гл. обр. в металлах с гранецентрир. решёткой - меди, свинце, никеле и др. 

Рис. 6. Положение дислокационной линии под действием механических напряжений в звуковой волне: а - струна длиной l колеблется в вязкой среде; б и в - отрыв дислокаций от точек закрепления при больших амплитудах механических напряжений. 

Дислокац. П. з. зависит от амплитуды звуковой волны. Изучение дислокац. поглощения позволяет исследовать дислокац. структуру кристалла и её изменения при различных внеш. воздействиях - нагревании, ковке, прокате, ионизирующих излучениях и др. 
Во мн. твёрдых телах прп не очень высоких частотах коэф. П. з. изменяется пропорц. частоте и поэтому величина добротности Q от частоты не зависит. В табл. 4 приведены значения е - 1/Q для нек-рых материалов. 

Табл. 4. - Поглощение ультразвука в твёрдых телах 
Материал | Диапазон частот / | Коэффициент потерь 10^4 х | Тип волны
Плавленый кварц | 5 - 19 МГц | 0,225 | сдвиговая
Алюминий поликристаллический ..... | 3,5 - 4,5 МГц 3, 1 - 7,5 МГц | 0,515 1,7 | сдвиговая продольная
Свинец ......... | 1,6 - 15 кГц | 280 | продольная
| 1,0 - 8 кГц | 290 | сдвиговая
Стекло крон . .... | 4 - 7,5 МГц | 2,38 | сдвиговая
Нержавеющая сталь 1X1 8Н9Т . . . . . | 18 - 25 кГц | 4,4 | продольная
Титан ВТ1 ...... | 18 - 25 кГц | 1,4 | продольная
Mедь М2 ........ | | 5,2 | продольная
Латунь Л59 ...... | | 2,4 | продольная
Алюминиевый сплав АМГ ......... | | 3,0 | продольная

Роль теплопроводности для продольных волн в однородном твёрдом теле идентична роли теплопроводности в жидкости и газе. Вклад теплопроводности составляет примерно половину от полного поглощения в металлах, в к-рых велики коэф. теплового расширения и теплопроводности, и всего лишь неск. процентов от полного поглощения в диэлектриках. 
Другой механизм поглощения, также имеющий место в большинстве веществ, связан с нелинейным взаимодействием звуковой волны и тепловых колебаний кристаллич. решётки, т. е. с взаимодействием звуковых и тепловых фононов. Такое П. з. поэтому часто наз. "решёточным" или "фононным". Оно проявляется на ВЧ в достаточно чистых и бездефектных кристаллах. В зависимости от частоты и соотношения длины волны УЗ и длины свободного пробега тепловых фононов в кристалле (определяемой температурой) рассматриваются разл. модели фононного поглощения. На сравнительно низких частотах действует т. н. механизм Ахиезера. Он заключается в том, что звуковая волна, представляющая собой когерентный пучок фононов, нарушает равновесное распределение тепловых фононов, и вызванное ею перераспределение энергии между фононами приводит к необратимому процессу диссипации энергии. Этот механизм имеет релаксац. характер, причём роль времени релаксации играет время жизни фонона, равное где l - длина свободного пробега фонона, - средняя скорость звука. В этом случае коэф. П. з. 

где - постоянная Грюнайзена, Т - абс. температура. Этот механизм П. з. даёт вклад в поглощение как продольных, так и сдвиговых волн. Он является доминирующим при комнатных темп-pax, при к-рых выполняется условие В области гиперзвуковых частот (10^10 - 10^11 Гц) и при низких темп-pax, близких температуре жидкого гелия, когда1, П. з. является результатом трёхчастичного взаимодействия когерентных звуковых фононов с тепловыми: взаимодействие когерентного и теплового фононов приводит к появлению третьего, также теплового, фонона н, следовательно, с учётом законов сохранения энергии и импульса - к уменьшению звуковой энергии, т. е. к П. з. Этот механизм поглощения наз. механизмом Ландау - Румера. 
Решёточное П. з. является осн. механизмом поглощения в чистых бездислокац. кристаллах диэлектриков, в к-рых др. механизмы проявляются слабо. Такие кристаллы могут обладать очень малым коэф. П. з.; так, весьма малое поглощение при комнатной температуре было обнаружено в топазе, берилле, сапфире (табл. 5). Температурная зависимость коэф. П. з. в диэлектриках имеет характерный вид, показанный на рис. 7 для кристалла А1_2О_3. 

Табл. 5. - Поглощение звука и некоторых кристаллах 

Кристалл

Направление распространения

Тип волны

Т, К

f, 
ГГц

дБ/м

Кварц | ось X | продольная | 300 | 1 | 500 |
| | поперечная быстрая | 300 | 1 | 500 |
| | поперечная медленная | 300 | 1 | 80 |
Сапфир | ось Z | продольная | 300 | 1 | 50 |
| ось С | | 300 | 1 | 100 |
| | | 300 | 9 | 1,5- 10^3 |
Рутил | ось С | продольная | 300 | 1 | 150 |
| | | 20 | 1 | 30 |
Железоиттрие-вый гранат | [100] | поперечная | 300 | 1 | 34 |
| | | 300 | 9 | 2,5- 10^3 |
Алюмоиттрне-вый гранат | [100] | продольная | 300 | 1 | 20 |
| | | 300 | 9 | 2,5-3,0 х 10^3 |
Берилл | ось С | продольная | 300 | 9 | 1,5- 10^3 |
Ниобат лития | ось С | продольная | 300 | 1 | 30 |
| | | 300 | 9,4 | 2,7 х 10^3 |

При темп-pax Т10 К коэф. П. з. не зависит от температуры; в интервале температур 20 - 100 К имеется область резкого возрастания коэф. П. з., где зависимость от Т для разных кристалл ографич. ориентации изменяется от ~ Т^4 до~ Т^9; при температурах выше 100 К коэф. П. з. вновь почти не зависит от Т. Такой ход можно объяснить соответствующей зависимостью для с_V и в ф-ле (3). 

Рис. 7. Зависимость в монокристалле А1_2О_3от температуры для продольных и сдвиговых ультразвуковых волн с частотой 1 ГГц, распространяющихся вдоль оси С. 
П. з. в монокристаллах зависит от направления распространения волны относительно кристаллографии, осей и от наличия примесей. Последние могут не только изменять величину коэф. П. з., но и влиять на характер его зависимости от Т. Напр., в кварце наличие примесей приводит к появлению пиков на зависимости Коэф. П. з. в синтетич. кварце при нек-рых темп-pax может на 2 - 3 порядка превышать коэф. П. з. в натуральном кварце. 
В металлах и полупроводниках кроме решёточного П. з.. описанного выше, а также П. з., обусловленного теплопроводностью и внутр. трением, имеется ещё специфич. поглощение, связанное с взаимодействием УЗ с электронами проводпмостп (см. Акустоэлектронное взаимодействие). В металлах эти эффекты становятся заметными при темп-pax ниже примерно 10 К. При переходе металла в сверхпроводящее состояние П. з. уменьшается, а при наложении магн. поля, разрушающего сверхпроводимость, поглощение возрастает. Взаимодействие акустич. волны с носителями тока в полупроводнике при наличии внеш. электрич. поля может привести к появлению отрицат. П. з., т. е. к усилению звука. 
В ферромагнетиках имеется дополнит. П. з., обусловленное эффектом магнитострикции. Под действием упругой волны в них возникает локальная переменная намагниченность и связанные с ней потери энергии, в первую очередь на токи Фуко и магн. гистерезис. Эти потери, вызывающие П. з., зависят от частоты. Зависимость магнитострикционных и магн. характеристик вещества от состояния намагниченности также влияет на П. з. (рис. 8). В частности, при наложении внеш. магн. поля коэф. П. з. уменьшается, а с ростом частоты растёт. В нек-рых веществах взаимодействие акустич. волны с системой ядерных спинов или же с электронными спинами парамагн. центров может приводить к резонансному П. з. (см. Акустический парамагнитный резонанс, Акустический ядерный магнитный рези-папе). 

Рис. 8. Зависимость различных частот в никеле от магнитной индукции В при распространении вдоль оси [110]. 

В поликристаллах как величина коэф. П. з., так и его частотный ход зависят от соотношения между размерами кристаллита а, длиной тепловой волны и длиной волны звука При низких частотах где - коэф. температуропроводности) На ВЧ, т. е. прп снова а в области частот коэф. Аналогичный характер имеет поглощение поперечных волн в тонких пластинках и стержнях, где толщина пластинки играет ту же роль, что и размеры кристаллита в поликристаллах. 
Прп фазовых переходах 2-го рода П. з. аномально возрастает с приближением температуры к температуре перехода что связано с ростом термодинамич. флуктуации. С ростом интенсивности звука становятся существенными нелинейные эффекты, к-рые приводят к зависимости коэф. П. з. от амплитуды (см. Нелинейная акустика). 
Методы измерения П. з. разнообразны и зависят от вещества, в к-ром П. з. измеряется, от диапазона частот и величины козф. П. з. Во всех методах измерений важно выделить истинное поглощение и отделить его от др. явлений, приводящих к уменьшению амплитуды звука, таких, как сферич. расхождение, дмфракц. эффекты, рассеяние, а также потерн на склейках и пр.

Литература по 

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1954; Алфрей Т., Механические свойства высокополимеров, пер. с англ., М., 1952; Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Неrzfе1d К., Litovitz Т.,Absorption and dispersion of ultrasonic waves, N. Y. - L., 1959; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. Л, М., 1966, гл. 4; т. 2, ч. А, М., 1968; т. 3, ч. Б, М., 1968, гл. 5 и 6; т. 4, ч. Б, М., 1970, гл. 2; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, 2 изд., М., 1982; Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б., Ультразвуковые методы в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972; Wells P. N. Т., Biomedical ultrasonics, L. - [а. о.], 1977; Клей К., Медвин Г., Акустическая океанография, пер. с англ., М., 1980; Красильников В. А., Крылов В. В., Введение в физическую акустику, М., 1984. 

А. Л. Полякова. 

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ