Продольные акустические волны в жидких и газообразных средах

Контрольная работа - Физика

Другие контрольные работы по предмету Физика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продольные акустические волны в жидких и газообразных средах

1. Основные величины

 

Остановимся сначала на физических величинах, характеризующих звуковое поле в газах и жидкостях. Наличие областей сжатия и разрежения среды приводит к тому, что давление и плотность в каждой точке будут меняться согласно волновому процессу. Переменные давление и плотность среды представим в виде.

 

 

где - постоянные равновесные давления и плотность (в отсутствии волны);

- мгновенные давление и плотность, которые в моменты сжатия среды больше , в моменты разряжения меньше ;

- переменные давление и плотность самой акустической волны

()

В звуковом диапазоне на частоте

 

 

(ухо человека весьма чувствительно к этой частоте)

амплитуда акустического давления на пороге слышимости уха (слабый звук)

 

.

 

На той же частоте на пороге болевого ощущения (сильный звук) амплитуда акустического давления Па. В системах связи и вещания имеют дело с акустическим давлением, амплитуда которого, по крайней мере, в тысячу раз меньше, чем нормальное атмосферное давление.

Так как давление неодинаково в соседних точках среды, то ее частицы стремятся сместиться в сторону минимального давления, и возникает колебательное движение частиц около своего положения равновесия. Колебательную скорость частиц представим в виде:

 

,

 

где - смещение колеблющейся частицы относительно положения равновесия.

Колебательная скорость частиц значительно меньше скорости распространения акустической волны. На частоте равной

 

при амплитуде акустического давления (порог

 

болевого ощущения) амплитуда колебательной скорости , а смещение . Отношение скорости частиц к скорости волны называется акустическим числом Маха.

 

 

где - скорость акустической волны.

Акустическое число Маха всегда меньше единицы. При скорости звука в воздухе при температуре 18 C и колебательной скорости имеем , то есть малая величина даже при таком сильном звуке.

Три величины - акустические давление и плотность, колебательная скорость (гидродинамические параметры), изменяясь во времени и в пространстве, определяют волновой процесс в упругих жидких и газообразных средах.

 

. Основные уравнения

 

Рассмотренные выше величины входят в волновые уравнения, которые являются следствием уравнений гидродинамики, последние рассмотрим в краткой форме. Среда безгранична и идеальна, т.е. без учета потерь, связанных с вязкостью и теплопроводностью среды. Уравнение движения сплошной среды (уравнение Эйлера):

 

(1)

 

Уравнение непрерывности (закон сохранения массы вещества):

 

(2)

 

Запишем эти уравнения для звуковых волн малой амплитуды, представив переменное давление и плотность в виде:

 

(3)

 

Изменения давления и плотности в звуковой волне малы (, ). Подставляя (3) в исходные уравнения (1) и (2) и пренебрегая величинами второго порядка малости относительно , получим линеаризованные уравнения гидродинамики для акустических величин:

Уравнение движения сплошной среды (уравнение Эйлера):

 

(4)

 

Уравнение непрерывности (закон сохранения массы вещества):

 

(5)

 

Последнее уравнение, которое замыкает систему уравнений гидродинамики есть уравнение состояния. Малые возмущения давления и плотности в акустической волне связаны соотношением

 

(6)

 

Уравнение (6) в линейной форме (для малых деформаций) есть уравнение упругости Гука при всестороннем сжатии

 

(7)

 

где - модуль объемной упругости.

Подставим выражение из (6) в уравнение непрерывности (5), получим

 

(8)

 

Так как колебательная скорость мала, то в большом числе случаев вихревое движение отсутствует и . По этой причине колебательная скорость может быть представлена в виде градиента скалярного потенциала

 

(9)

 

Подставляем (9) в уравнение движения среды (4)

 

,

 

найдем выражение, связывающее акустическое давление и скалярный потенциал

 

(10)

Колебательную скорость (9) и звуковое давление (10) подставляем в уравнение (8) и получаем волновое уравнение для скалярного потенциала

 

(11)

 

где - фазовая скорость акустической волны

 

(12)

 

С учетом выражения (7) получаем формулу для расчета скорости продольной акустической волны

 

(13)

 

Это выражение остается справедливым и для расчета скорости продольной волны в твердой среде. При температуре t=0 C в воздухе Па,

кг/м3, С=331,2 м/с; в воде Па, кг/м3, С=1500 м/с;

в сапфире Па, кг/м3, С=11,1 км/с. Можно использовать формулу расчета скорости в следующем виде:

 

(14)

где - коэффициент сжатия.

В газообразных средах фазовую скорость продольной акустической волны можно рассчитать и по формуле

 

(15)

 

где - отношение теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме.

 

R=()- газовая постоянная

 

T - температура в Кельвинах

Для воздуха , , скорость звука равна .

При любой другой температуре

 

 

(16)

При увеличении температуры на 1 скорость звука увеличивается на 0.6 м/с. Газы легко деформируем