ПОГЛОЩЕ́НИЕ ЗВУ́КА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
ПОГЛОЩЕ́НИЕ ЗВУ́КА, необратимое превращение энергии звуковой (акустической) волны в др. виды энергии, в осн. в теплоту. П. з. обычно характеризуется коэф. П. з. α, определяемым как величина, обратная расстоянию, на котором амплитуда звуковой волны уменьшается в e≈2,718 раз. Коэф. П. з. выражают в неперах на метр или в децибелах на метр. Амплитуда плоской звуковой волны, бегущей вдоль оси x, убывает с расстоянием как \exp(–αx), а интенсивность – как \exp(–2αx). Амплитуда стоячей звуковой волны после выключения источника звука убывает со временем как \exp(–αct), где c – скорость звука, t – время. П. з. характеризуют также коэф. потерь ε=αλ/π (λ – длина звуковой волны) или добротностью Q=1/ε. Величина αλ называется логарифмич. декрементом затухания звука. При распространении звука в среде, обладающей вязкостью и теплопроводностью, коэф. П. з. равен α=\frac{ω^2}{2ρc^3}\left[\frac{4}{3}η+ξ+χ\left( \frac{1}{C_V}-\frac{1}{C_p}\right) \right], \tag1 где ρ – плотность среды, ω=2πf – круговая частота звуковой волны, f – частота звуковой волны, η и ξ – коэффициенты сдвиговой (динамической) и объёмной вязкости соответственно, χ – коэф. теплопроводности, C_p и C_V – теплоёмкости среды при постоянном давлении и объёме соответственно. В области низких частот, где коэффициенты η, ξ и χ не зависят от частоты, для характеристики П. з. часто используют величину α/f^2, которая в этом случае также не зависит от частоты и является параметром, характеризующим свойства среды. Значение α/f^2 в жидкостях, как правило, меньше, чем в газах, а в твёрдых телах меньше, чем в жидкостях. Формула (1) применима только для звуковых волн малой амплитуды.
П. з., обусловленное сдвиговой вязкостью и теплопроводностью, называется классическим и характеризуется коэф. α_{кл}. Часть коэф. П. з., которая пропорциональна объёмной вязкости, связана с релаксационными процессами (см. Релаксация акустическая) и имеет вид α_p=\frac{1}{2c^3_0}\frac{ω^2τ(c^2_{\infty}-c_0^2)}{1+ω^2τ^2},\tag2 где τ – время релаксации, c_0 – скорость звука при малых частотах (ωτ≪1), c_∞ – скорость звука при высоких частотах (ωτ≫1). Релаксационное П. з. всегда сопровождается дисперсией звука. Полный коэф. поглощения α=α_{кл}+α_р.
П. з. в газах зависит от давления газа; разрежение газа эквивалентно увеличению частоты волны. Теплопроводность и сдвиговая вязкость в газах дают вклад в П. з. одного порядка величины. Вклад объёмной вязкости и релаксационных процессов значителен для многоатомных газов, тогда как в одноатомных газах релаксационные процессы отсутствуют и α=α_{кл}.
В жидкостях П. з. в осн. 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 релаксационных процессов. Коэф. П. з. обычно сильно зависит от темп-ры и от наличия примесей.
П. з. в твёрдых телах вызывается в осн. внутр. трением и теплопроводностью среды, а на высоких частотах и при низких темп-pax – разл. процессами взаимодействия УЗ- и гиперзвуковых волн с возбуждениями в твёрдом теле (фононами, электронами, спиновыми волнами и др.). П. з. в твёрдом теле зависит от кристаллич. состояния вещества (в монокристаллах коэф. П. з. обычно меньше, чем в поликристаллах), от наличия дефектов и примесей, от предварит. обработки, которой был подвергнут материал, и т. п.
Внутр. трение в кристаллах при комнатной темп-ре сильно зависит от наличия дислокаций. Под действием звука в кристалле возникают переменные упругие напряжения, которые возбуждают колебат. движения дислокаций. Взаимодействие этих колебаний с фононами решётки приводит к дополнит. дислокационному П. з., зависящему от амплитуды звуковой волны. Изучение дислокационного П. з. позволяет исследовать дислокац. структуру кристалла и её изменения при разл. внешних воздействиях.
Др. механизм П. з., также имеющий место в большинстве твёрдых веществ, связан с нелинейным взаимодействием звуковой волны и тепловых колебаний кристаллич. решётки, т. е. с взаимодействием звуковых и тепловых фононов. Такое П. з. называют решёточным или фононным. Оно проявляется на высоких частотах в достаточно чистых и бездефектных кристаллах.
В металлах и полупроводниках, кроме решёточного П. з., а также П. з., обусловленного теплопроводностью и внутр. трением, имеется ещё П. з., связанное с взаимодействием УЗ с электронами проводимости (см. Акустоэлектронное взаимодействие). В металлах эти эффекты становятся заметными при темп-pax ниже ≈10 К. При переходе металла в сверхпроводящее состояние П. з. уменьшается, а при наложении магнитного поля, разрушающего сверхпроводимость, П. з. возрастает. Взаимодействие акустич. волны с носителями заряда в полупроводнике при наличии внешнего электрич. поля может привести к появлению отрицательного П. з. (т. е. к усилению звука).