ПОГЛОЩЕ́НИЕ ЗВУ́КА

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).