Чему равна скорость звука в разных средах?

Скорость звуковых волн в разных химических средах

Скорость распространения звука в разных химических средах неодинакова. Так, в азоте она составляет 334 м/с, в воздухе – 331, в ацетилене – 327, в аммиаке – 415, в водороде – 1284, в метане – 430, в кислороде – 316, в гелии – 965, в угарном газе – 338, в углекислоте – 259, в хлоре – 206 м/с. Скорость звуковой волны в газообразных средах возрастает с повышением температуры (Т) и давления. В жидкостях она чаще всего уменьшается при увеличении Т на несколько метров за секунду. Скорость звука (м/с) в жидких средах (при температуре 20°С):

• вода – 1490;

• этиловый спирт – 1180;

• бензол – 1324;

• ртуть – 1453;

• углерод четыреххлористый – 920;

• глицерин – 1923.

Из вышеуказанного правила исключением является только вода, в которой с ростом температуры увеличивается и скорость звука. Своего максимума она достигает при нагревании этой жидкости до 74°С. При дальнейшем повышении температуры скорость звука уменьшается. При увеличении давления она будет увеличиваться на 0,01%/1 Атм. В соленой морской воде с ростом температуры, глубины и солености будет повышаться и скорость звука. В других средах этот показатель изменяется по-разному. Так, в смеси жидкости и газа скорость звука зависит от концентрации ее составляющих. В изотопном твердом теле она определяется его плотностью и модулями упругости. В неограниченных плотных средах распространяются поперечные (сдвиговые) и продольные упругие волны. Скорость звука (м/с) в твердых веществах (продольной/поперечной волны):

• стекло – 3460-4800/2380-2560;

• плавленый кварц – 5970/3762;

• бетон – 4200-5300/1100-1121;

• цинк – 4170-4200/2440;

• тефлон – 1340/*;

• железо – 5835-5950/*;

• золото – 3200-3240/1200;

• алюминий – 6320/3190;

• серебро – 3660-3700/1600-1690;

• латунь – 4600/2080;

• никель – 5630/2960.

В ферромагнетиках скорость звуковой волны зависит от величины напряженности магнитного поля. В монокристаллах скорость звуковой волны (м/с) зависит от направления ее распространения:

  • рубин (продольная волна) – 11240;
  • сульфид кадмия (продольная/поперечная) – 3580/4500;
  • ниобат лития (продольная) – 7330.

Скорость звука в вакууме равняется 0, поскольку в такой среде он просто не распространяется.

Число Маха

Если вы читали о скорости космических кораблей или самолетов, то могли столкнуться с числом Маха. Это соотношение скорости тела со звуковой. Передается через формулу M = v/a (М – число Маха, v – скорость объекта, а – скорость звука в среде). Если что-то перемещается со звуковой скоростью, то уравнение отобразит струю, которая способна превзойти указанный показатель. Паровой конус формируется перед тем, как самолет достигнет звуковой скорости и вызывается внезапным падением давления воздуха.

Перед вами реактивный самолет, готовящийся разорвать звуковой барьер

Введение
  • Характеристики звука
  • Частота звуковых волн
  • Производство звука: вибрационная струна и воздушные колонки
  • Качество звука
  • Скорость звука
Интенсивность звука и уровень звука
  • Интенсивность
  • Человеческое восприятие звука
  • Децибелы
Эффект Допплера и звуковые стрелы
  • Перемещение наблюдателя
  • Перемещение источника
  • Общий случай
  • Звуковой удар
Взаимодействие со звуковыми волнами
  • Суперпозиция
  • Помехи
  • Биение
  • Ухо
  • Применение: ультразвук, сонар и медицинская визуализация
Дальнейшие темы
  • Сферические и плоские волны
  • Стоячие волны на струне
  • Стоячие волны в воздушных столбах
  • Принудительные вибрации и резонанс

Скорость звука в газах и парах. Скорость звука в жидкостях. Скорость звука металлах и сплавах. Скорость звука в воздухе при различной температуре. Скорость звука в воздухе на различной высоте над Землей. Диапазоны слышимых звуков.

Скорость звука в газах и парах

Газ Температура оС Скорость звука м/с Газ Температура оС Скорость звука м/с
Азот 334 Пары воды 401
Азот 300 487 Пары воды 100 405
Водород 1284 Пары спирта 230
Гелий 965 Пары эфира 179
Кислород 316 Хлор 206
Оксид углерода (IV) 260      
Оксид углерода (IV) 300      

Скорость звука в жидкостях

Жидкость t, oC c, м/с Жидкость t, oC c, м/с
Азот жидкий -199 962 Керосин 20 2330
Бензин 17 1170 Кислород жидкий -182,9 912
Вода 1403 Олово расплавленный 232 2270
20 1483 Раствор поваренной соли (20%) 15 1650
30 1510 Ртуть 20 1450
74* 1555 Свинец расплавленный 330 1790
100 1543 Спирт 20 1180
морская 20 1490 Эфир 25  
тяжелая 20 1400      
Водород жидкий -256 1187      
Гелий жидкий -269 180      
Глицерин 20 1923      

Примечание. Скорость звука для большинства жидкостей (кроме воды) уменьшается с повышением температуры.При температуре 74 оС скорость звука в воде наибольшая.

Скорость звука в металлах и сплавах (при t=20 oC)

Металлы и сплавы c, м/с Металлы и сплавы c, м/с
Алюминий 6260 Платина 3960
Дуралюминий 6400 Свинец 2160
Железо 5850 Серебро 3600
Золото 3200 Сталь 5000-6100
Латунь 4280-4700 Цинк 4170
Медь 4700 Чугун ≈3850
Олово 3320    

Скорость звука в воздухе при различной температуре

t, oC Скорость звука t, oC Скорость звука
м/с км/ч м/с км/ч
-150 216,7 780,1 30 348,9 1256,2
-100 263,7 949,2 50 360,3 1296,9
-50 299,3 1077,6 100 387,1 1393,7
-20 318,8 1147,8 200 436,0 1569,5
-10 325,1 1170,3 300 479,8 1727,4
331,5 1193,4 400 520,0 1872,1
10 337,3 1214,1 500 557,3 2006,4
20 343,1 1235,2 1000 715,2 2574,8

Примечание. Скорость звука в воздухе (как и в других газах) увеличивается с повышением температуры. При повышении температуры на 1 oС скорость звука в нем увеличивпается на 0,59 м/с.

Скорость звука в воздухе на различной высоте над Землей

h, м с, м/с h, м с, м/с h, м с, м/с
340,29 500 338,38 500 320,54
50 340,10 600 337,98 10 000 299,53
100 339,91 700 337,60 20 000 295,07
200 339,53 800 337,21 50 000 329,80
300 339,14 900 336,82 80 000 282,54
400 338,76 1000 336,43    

Примечание. Предполагается, что на поверхности Земли температура 15 oC давление 101 325 Па (760 мм рт. ст.).

Скорость звука в различных твердых веществах (при t=20 oC)

Вещество c, м/с Вещество c, м/с
Алмаз 18 350 Сосна 5030
Бетон 4250-5250 Стеарин 1380
Графит 1470 Стекло оптическое:
Дуб 4115                         флинт 4450
Каменная соль 4400                          крон 5220
Кирпич 3600 Стекло органическое 2550
Лед (при t= — 4 oC) 3980 Шифер 4510
Пробка 430-530 Эбонит 2400

Длина звуковых и ультразвуковых волн в различных средах в зависимости от частоты колебаний

Частота колебаний ν Длина волн λ, см
Гц кГц в воздухе в воде в стали
20 1700 7250 25 000
50 680 2900 10 000
100 340 1450 5 000
200 170 725 2 500
1 34 145 500
5 6,8 29 100
10 3,4 14,5 50
20 1,7 7,3 25
50 0,7 2,9 10
100 0,34 1,5 5
300 0,5 1,7
500 0,3 1
1000 0,15 0,5

Примечание. Если встречающиеся на пути распространения
звука размеры препятствий сравнимы с длиной волны или больше ее, то звук (волна)
отражается от препятствий (препятствия меньшего размера огибаются волной).
Это явление использовано в ултразвуковой дефектоскопии металлов. Из таблицы
видно, что с уменьшением длины волны уменьшаются размеры пороков в металле
(раковин, иногородных вкраплений), которые могут быть обнаруженыпучком ультразвука.
Например, ультразвук частотой 20 кГц позволяет обнаружить в массиве металла
(стали) пороки размером не менее 12.5 см (половинадлины волны); при частоте
200 кГц пороки размером 1-1,3 см, а при частоте 1 МГц — пороки, размеры которых
порядка миллиметров.

Особенности сварки в углекислоте

Сваривание металлов в среде СО2 выполняют постоянным током обратной полярности.
Если сварку производить постоянным током прямой полярности, то это отрицательно
сказывается на стабильности электрической дуги, в результате появляется дефект
формирования формы шва и электродный металл расходуется на угар и разбрызгивание.

Но если выполняется е сварка, а наплавка, то рекомендуется использовать именно
прямую полярность тока, т.к коэффициент наплавки у него в 1,6-1,8 раза выше,
чем у тока обратной полярности.

Сварку можно выполнять и на переменном токе. В этом случае в сварочную цепь
необходимо включить осциллятор. Источниками постоянного сварочного тока являются
преобразователи тока с жёсткой характеристикой.

AB=(2k+1), (k=0,1,2,3…) (9)

При выполнении этого условия у открытого конца трубки
(излучатель устанавливается на расстоянии 3-4мм от торца трубки) будет
пучность, и наблюдается резкое усиление звука. Если постепенно отодвигать
поршень от излучателя, то будет последовательно слышно усиление и ослабление
звука, при этом у поршня всегда будет узел, а у открытого конца трубки
амплитуда колебаний будет изменяться от 0 до 2 А. Находя из опыта расстояние
между последовательными    положениями поршня, которым соответствуют пучности у
открытого конца трубки, определяют длину  звуковой волны по формул      

l=l3-l1   или   l=2(l3-l1)                                                           
(10)

Зная l и частой колебания n, задаваемую звуковому генератору, определяют скорость распространения
звуковой волны Vt при комнатной температуре из соотношения:

Vt==.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Для получения звукового сигнала нужно
включить генератор в сеть, поставить тумблер «Сеть» на панели генератора в
положение «Вкл.» (при этом загорается сигнальная лампочка) и, спустя 2-3 минуты,
вращением ручки настройки прибора установить указатель частоты (Гц) на одну из
частот: 1000, 1500, 2000, 2500 Гц. Установить пор­шень у того торца трубки, где
расположен излучатель звука, и, вра­щая ручку регулятора выходного напряжения
звукового генератора, сделать силу звука такой, чтобы сигнал был едва слышен.
Затем при­ступить к измерениям и обработке результатов

1.
Медленно и равномерно отодвинуть поршень от излучателя звука, записывая в
черновик координаты точек l1, l2, l3, которым
соответ­ствует максимальное усиление звука. Опыт повторить не менее тpеx раз
для каждой из частот: n=1000, 1500, 2000, 2500 Гц.

2. По
формулам (10) определить длину звуковой волны и рассчитать среднее значение l для каждой из частот.

3 По формуле (11)
найти скорость звука при комнатной температуре для каждой из заданных частот
(1000, 1500, 2000, 2500 Гц), ис­пользуя среднее для каждой из частот значения l.            

4. Для одной из частот, например n=2000Гц, рассчитать абсолютную погрешность измерения:

Dla,n  = ta,n 

(Доверительная вероятность a=0,7, коэффициент Стьюдента ta,n определить по таблице).

Считая,
что точность показаний звукового генератора по частоте составляет 1% найти
возможную погрешность определения частоты  v= 2000 Гц;

100%=1%

Отсюда

Dn=

Зная Dl и`l , Dn и n , косвенным методом рассчитать
погрешность определения скорости звука для этой частоты (n=2000 Гц)

DVt=;Vt=ln

5. Считая погрешность Dl и Vt
одинаковой для всех частот (малый разбег частот 1000-2500 Гц и работа на одной
и той же установке), построить зависимости `l=j(n) и V=j(n) с
нанесением доверительных интервалов(l±Dl и  Vt±D Vt).Сделать выводы о характере зависимостей  l(n)  и   V(n).

6.
Из выражения (8) вычислить скорость звука при 0°C. Сделать вывод о зависимости скорости
звука от температуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Что называется волной?

2. Отличие бегущей волны от стоячей?

3.Что называется фронтом
волны?            

4 Что называется волновой поверхностью?

Вариант 2

1. В бегущей волне происходит перенос … без переноса …

А. вещества; энергии
Б. энергии; вещества

2. Продольные механические волны являются волнами …

А. сдвига
Б. кручения
В. сжатия и разрежения

3. Упругие поперечные волны могут распространяться …

А. только в твердых телах
Б. только в жидкостях
В. в любой среде

4. На рисунке 67 представлен график волны в определенный момент времени. Чему равна длина волны?

А. 1 м
Б. 1,5 м
В. 2 м

5. Инфразвуковые колебания — это механические колебания с частотой …

А. менее 20 Гц
Б. более 20 000 Гц
В. от 20 до 20 000 Гц

6. Громкость звука зависит от …

А. частоты звука
Б. амплитуды колебаний
В. скорости звука

7. При интерференции когерентных волн, если разность хода волн равна четному числу полуволн, то …

А. амплитуда суммарной волны равна нулю
Б. амплитуда суммарной волны равна удвоенной амплитуде одной из волн

8. Амплитуда звуковых колебаний увеличилась в 5 раз. Как изменилась высота звука при неизменной частоте звуковых колебаний?

А. уменьшилась в 5 раз
Б. увеличилась в 5 раз
В. не изменилась

9. С какой частотой колеблется источник волн, если длина волны 4 м, а скорость ее распространения 10 м/с?

А. 2,5 Гц
Б. 0,4 Гц
В. 40 Гц

10. Через какое время человек услышит эхо, если расстояние до преграды, отражающей звук, 68 м? Скорость звука в воздухе 340 м/с.

А. 0,4 с
Б. 0,2 с
В. 0,3 с

Ответы на тест по физике Механические волны. Звук 9 классВариант 1
1-А
2-В
3-Б
4-А
5-В
6-Б
7-А
8-В
9-А
10-БВариант 2
1-Б
2-В
3-А
4-А
5-А
6-Б
7-Б
8-В
9-А
10-А

Применение

В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель, обозначается на упаковке кодом Е290.

В криохирургии используется как одно из основных веществ для криоабляции новообразований.

Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения и в огнетушителях. Автоматические углекислотные установки для пожаротушения различаются по системам пуска, которые бывают пневматическими, механическими или электрическими.

Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространённый метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги. При брожении выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений.

Углекислый газ используется для газирования лимонада, газированной воды и других напитков. Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его распад с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в инертной среде.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии (в газобаллонной пневматике) и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31 °С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 20 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31 °С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа, — таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.

Твёрдая углекислота — «сухой лёд» — используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при их посадке внатяжку) и так далее. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки.

История измерения скорости звука

Уже у античных авторов встречается указание на то, что звук обусловлен колебательным движением тела (Птолемей, Евклид). Аристотель отмечает, что скорость звука имеет конечную величину, и правильно представляет себе природу звука. Попытки экспериментального определения скорости звука относятся к первой половине XVII в. Ф. Бэкон в «Новом органоне» указал на возможность определения скорости звука путём сравнения промежутков времени между вспышкой света и звуком выстрела. Применив этот метод, различные исследователи (М. Мерсенн, П. Гассенди, У. Дерхам, группа учёных Парижской академии наук — Д. Кассини, Ж. Пикар, Гюйгенс, Рёмер) определили значение скорости звука (в зависимости от условий экспериментов, 350—390 м/с). Теоретически вопрос о скорости звука впервые рассмотрел И. Ньютон в своих «Началах». Ньютон фактически предполагал изотермичность распространения звука, поэтому получил заниженную оценку. Правильное теоретическое значение скорости звука было получено Лапласом.

Гармонические колебания

Гармонические колебания – простейшие периодические колебания, при которых координата тела меняется по закону синуса или косинуса:

где ​\( x \)​ – координата тела – смещение тела от положения равновесия в данный момент времени; ​\( A \)​ – амплитуда колебаний; ​\( \omega t+\varphi_0 \)​ – фаза колебаний; ​\( \omega \)​ – циклическая частота; ​\( \varphi_0 \)​ – начальная фаза.

Если в начальный момент времени тело проходит положение равновесия, то колебания являются синусоидальными.

Если в начальный момент времени смещение тела совпадает с максимальным отклонением от положения равновесия, то колебания являются косинусоидальными.

Скорость гармонических колебаний Скорость гармонических колебаний есть первая производная координаты по времени:

где ​\( v \)​ – мгновенное значение скорости, т. е. скорость в данный момент времени.

Амплитуда скорости – максимальное значение скорости колебаний, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Ускорение гармонических колебаний Ускорение гармонических колебаний есть первая производная скорости по времени:

где ​\( a \)​ – мгновенное значение ускорения, т. е. ускорение в данный момент времени.

Амплитуда ускорения – максимальное значение ускорения, это величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Если тело совершает гармонические колебания, то сила, действующая на тело, тоже изменяется по гармоническому закону:

где ​\( F \)​ – мгновенное значение силы, действующей на тело, т. е. сила в данный момент времени.

Амплитуда силы – максимальное значение силы, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

Тело, совершающее гармонические колебания, обладает кинетической или потенциальной энергией:

где ​\( W_k \)​ – мгновенное значение кинетической энергии, т. е. кинетическая энергия в данный момент времени.

Амплитуда кинетической энергии – максимальное значение кинетической энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:

При гармонических колебаниях каждую четверть периода происходит переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. В положении равновесия:

  • потенциальная энергия равна нулю;
  • кинетическая энергия максимальна.

При максимальном отклонении от положения равновесия:

  • кинетическая энергия равна нулю;
  • потенциальная энергия максимальна.

Полная механическая энергия гармонических колебаний При гармонических колебаниях полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий в данный момент времени:

Важно! Следует помнить, что период колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза меньше, чем период колебаний координаты, скорости, ускорения и силы. А частота колебаний кинетической и потенциальной энергий в 2 раза больше, чем частота колебаний координаты, скорости, ускорения и силы

Графики зависимости кинетической, потенциальной и полной энергий всегда лежат выше оси времени.

Если сила сопротивления отсутствует, то полная энергия сохраняется. График зависимости полной энергии от времени есть прямая, параллельная оси времени (в отсутствие сил трения).

Получение

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора, мела или соды с соляной кислотой, используя, например, аппарат Киппа.

CaCO3+2HCl⟶CaCl2+H2O+CO2↑{\displaystyle {\ce {CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + H2O + CO2 ^}}}.

Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который замедляет реакцию, и который удаляется значительным избытком кислоты с образованием кислого сульфата кальция.

Для приготовления сухих напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.

Также для получения углекислого газа применяется зкзотермическая реакция горения углерода в кислороде:

C+O2⟶CO2↑+394kJ{\displaystyle {\ce {C + O2 -> CO2 ^ + 394 kJ}}}.

Примечания

  1.  (англ.). National Oceanic and Atmospheric Administration. Дата обращения 24 сентября 2013.
  2. Chen Zhou, Mark D. Zelinka & Stephen A. Klein.  (англ.). Nature Geoscience. Дата обращения 4 декабря 2019.
  3. А. С. Егоров. Репетитор по химии — Ростов-на-Дону: «Феникс», 2009.
  4.  (англ.). US EPA. Дата обращения 4 декабря 2019.
  5. Charles Henrickson. Chemistry (неопр.). — Cliffs Notes, 2005. — ISBN 0-7645-7419-1.
  6. ↑ Пересчитано из значений в мм. рт. ст. с использованием коэффициента пересчёта 0,133322 кПа/мм. рт. ст.
  7. ↑  (недоступная ссылка). solarnavigator.net. Дата обращения 12 октября 2007.
  8. Большая Энциклопедия Нефти и Газа.
  9. . Docs.cntd.ru. — М.: Стандартинформ, 2009.. Дата обращения 4 декабря 2019.
  10. Бялко А. В. Растения убыстряют рост // Природа. — 1996. — № 10. (по Keeling C.D., Whorf Т.P., Wahlen M., van der Plicht J. // Nature. 1995. V. 375, № 6533. P.666-670)
  11.  (англ.)
  12.  (англ.)

Методы регистрации

Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях — анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO₂ в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта.
Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем. Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф. Для измерения низких концентраций CO₂ (а также CO) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе.

Изменения концентрации атмосферного углекислого газа (кривая Килинга). Измерения в обсерватории на горе Мауна-Лоа, Гавайи.

Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40—70°) широт Северного полушария.

Вегетация в тропиках практически не зависит от сезона, сухой пояс пустынь 20—30° (обоих полушарий) даёт малый вклад в круговорот углекислоты, а полосы суши, наиболее покрытые растительностью, расположены на Земле асимметрично (в Южном полушарии в средних широтах находится океан).
Поэтому с марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО2 в атмосфере падает, а с октября по февраль — повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гетеротрофное дыхание растений, гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемого топлива (угля, нефти, газа), заметно увеличивающееся в зимний сезон.

Большое количество углекислоты растворено в океане.

Скорость в жидкостях

Звуковые волны в жидкостях являются волнами сжатия — разрежения, как и в газах. Скорость дается той же формулой . Однако жидкость гораздо менее сжимаема, чем газ, и поэтому для нее во много раз больше величина В, больше и плотность r. Скорость звука в жидкостях ближе к скорости в твердых материалах, чем в газах. Она гораздо меньше, чем в газах, зависит от температуры. Например, скорость в пресной воде равна 1460 м/с при 15,6°С. В морской воде нормальной солености она при той же температуре составляет 1504 м/с. Скорость звука возрастает с повышением температуры воды и концентрации соли.

Величина В зависит от того, изменяется или нет температура газа при сжатии. В случае звуковой волны можно показать, что давление изменяется очень быстро и теплота, выделяющаяся при сжатии, не успевает уходить из системы. Таким образом, изменение давления в звуковой волне происходит без теплообмена с окружающими частицами. Такое изменение называется адиабатическим. Установлено, что скорость звука в газе зависит только от температуры. При данной температуре скорость звука примерно одинакова для всех газов. При температуре 21,1°С скорость звука в сухом воздухе составляет 344,4 м/с и возрастает с повышением температуры.

Упругость — причина распространения звука в воздухе

Упругость — это способность сопротивляться давлению, деформации. Ученых долго удивляло, что воздух обладает упругостью. Они сравнивали его с водой. Эту жидкость почти невозможно сжать, и она передает давление во все стороны одинаково. Почему же воздух передает давление направленно, почему мы слышим звук с одной стороны? Ломоносов первым объяснил, что воздух упругий из-за постоянного движения атомов. Сила упругости зависит от плотности. Ломоносов рассуждал так: раз воздух можно сжимать, значит, во-первых, между частицами большие расстояния, во-вторых, атомы при столкновении воздействуют друг на друга. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Появление в воздухе звуковой волны

Как только тело выходит из равновесия и начинает колебаться, меняется упругость и давление воздуха. Изменения происходят в близлежащих слоях. С той стороны, куда направлено движение, воздух сжимается, на противоположной стороне — разреживается. Там, где воздух сжимается, давление становится больше атмосферного, а там, где разреживается, понижается на ту же величину. Отклонившись максимально, тело возвращается в начальную точку и движется уже в другую сторону, сжимая противоположный слой воздуха. Цикл повторяется через время, равное частоте колебаний.

Сжатия-разрежения расходятся от близлежащих слоев воздуха в более далекие. Это происходит благодаря упругости среды. Процесс продолжается, пока тело не прекратит двигаться. Распространение сжатий-разрежений называется упругой волной. Как бы далеко она не дошла, волна изменяет в этой точке давление. Давление, превышающее атмосферное, называют акустическим.

Твёрдые тела

В однородных твёрдых телах могут существовать два типа объёмных волн, отличающихся друг от друга поляризацией колебаний относительно направления распространения волны: продольная (P-волна) и поперечная (S-волна). Скорость распространения первой (cP){\displaystyle (c_{P})} всегда выше, чем скорость второй (cS){\displaystyle (c_{S})}:

cP=K+43Gρ=E(1−ν)(1+ν)(1−2ν)ρ,{\displaystyle c_{P}={\sqrt {\frac {K+{\frac {4}{3}}G}{\rho }}}={\sqrt {\frac {E(1-\nu )}{(1+\nu )(1-2\nu )\rho }}},}
cS=Gρ=E2(1+ν)ρ,{\displaystyle c_{S}={\sqrt {\frac {G}{\rho }}}={\sqrt {\frac {E}{2(1+\nu )\rho }}},}

где K{\displaystyle K} — модуль всестороннего сжатия, G{\displaystyle G} — модуль сдвига, E{\displaystyle E} — модуль Юнга, ν{\displaystyle \nu } — коэффициент Пуассона. Как и для случая с жидкой или газообразной средой, при расчетах должны использоваться адиабатические модули упругости.

В многофазных средах из-за явлений неупругого поглощения энергии скорость звука, вообще говоря, зависит от частоты колебаний (то есть наблюдается дисперсия скорости). Например, оценка скорости упругих волн в двухфазной пористой среде может быть выполнена с применением уравнений теории Био-Николаевского. При достаточно высоких частотах (выше частоты Био) в такой среде возникают не только продольные и поперечные волны, но также и продольная волна II-рода. При частоте колебаний ниже частоты Био, скорость упругих волн может быть приблизительно оценена с использованием гораздо более простых уравнений Гассмана.

При наличии границ раздела, упругая энергия может передаваться посредством поверхностных волн различных типов, скорость которых отличается от скорости продольных и поперечных волн. Энергия этих колебаний может во много раз превосходить энергию объёмных волн.

Взаимодействие атомов воздуха

Частицы воздуха находятся в постоянном беспорядочном движении. Каждый атом, столкнувшись с другим, отскакивает от него и отталкивается уже от следующего. Газ расширяется, стремится занять весь объем благодаря толчкам частиц. Не будь на Земле притяжения, атмосфера бы уже давно рассеялась. Еще Галилей установил, что воздух имеет вес. Его частицы под действием силы тяжести упали бы на землю, если бы не сталкивались друг с другом и не меняли в результате свою скорость и направление движения. Вес воздуха создает атмосферное давление, оно распространяется благодаря упругости. Какие же изменения происходят в воздухе из-за колеблющегося тела?

Газовые смеси

Служат для улучшения процесса сварки и качества сварного шва

Смесь аргона и гелия. Оптимальный состав: 50% + 50% или 40% аргона и 60% гелия. Пригоден для сварки алюминиевых и титановых сплавов.

Смесь аргона и кислорода при содержании кислорода 1-5% стабилизирует процесс сварки, увеличивает жидко текучесть сварочной ванны, перенос электродного металла становится мелкокапельным. Смесь рекомендуется для сварки углеродистых и нержавеющих сталей.

Смесь аргона и углекислого газа. Рациональное соотношение — 75-80% аргона и 20-25% углекислого газа. При этом обеспечиваются минимальное разбрызгивание, качественное формирование шва, увеличение производительности, хорошие свойства сварного соединения. Используется при сварке низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей.

Смесь углекислого газа и кислорода. Оптимальный состав: 60-80% углекислого газа и 20-40% кислорода. Повышает окислительные свойства защитной среды и температуру жидкого металла. При этой смеси используют электродные проволоки с повышенным содержанием раскислителей, например Св-08Г2СЦ. Шов формируется несколько лучше, чем при сварке в чистом углекислом газе. Смесь применяют для сварки углеродистых, легированных и некоторых высоколегированных конструкционных сталей.

Скорость звука в твердом стержне

Длинный стержень можно растянуть или сжать силой, приложенной к концу. Пусть длина стержня равна L, прикладываемая растягивающая сила — F, а увеличение длины — DL. Величину DL/L будем называть относительной деформацией, а силу, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения стержня, — напряжением. Таким образом, напряжение равно F/A , где А — площадь сечения стержня. В применении к такому стержню закон Гука имеет вид

где Y — модуль Юнга, т.е. модуль упругости стержня для растяжения или сжатия, характеризующий материал стержня. Модуль Юнга мал для легко растяжимых материалов, таких, как резина, и велик для жестких материалов, например для стали.

Если теперь ударом молотка по торцу стержня возбудить в нем волну сжатия, то она будет распространяться со скоростью , где r, как и прежде, — плотность материала, из которого изготовлен стержень. Значения скоростей волн для некоторых типовых материалов приведены в таблице.

Скорость звука для разных типов волн в твердых материалах
Материал Продольные волны в протяженных твердых образцах (м/с) Волны сдвига и кручения (м/с) Волны сжатия в стержнях (м/с)
Алюминий 6420 3040 5000
Латунь 4700 2110 3480
Свинец 5950 3240 5120
Железо 1960 690 1210
Серебро 3650 1610 2680
Нержавеющая сталь 5790 3100 5000
Флинтглас 3980 2380 3720
Кронглас 5100 2840 4540
Оргстекло 2680 1100 1840
Полиэтилен 1950 540 920
Полистирол 2350 1120 2240

Рассмотренная волна в стержне является волной сжатия. Но ее нельзя считать строго продольной, так как со сжатием связано движение боковой поверхности стержня.

Типы волнового движения

В стержне возможны и два других типа волн — волна изгиба и волна кручения. Деформациям изгиба соответствует волна, не являющаяся ни чисто продольной, ни чисто поперечной. Деформации же кручения, т.е. вращения вокруг оси стержня, дают чисто поперечную волну.

Скорость волны изгиба в стержне зависит от длины волны. Такую волну называют «дисперсионной».

Волны кручения в стержне — чисто поперечные и недисперсионные. Их скорость дается формулой

где m — модуль сдвига, характеризующий упругие свойства материала по отношению к сдвигу. Некоторые типичные скорости волн сдвига приведены в таблице.

Сущность процесса сварки в углекислом газе

Сущность сварки заключаются в следующем. Поступающий для защиты зоны сварки
углекислый газ под воздействием высокой температуры дуги распадается на угарный
газ и кислород. Процесс распада происходит по реакции:

2CO2 = 2CO + O2

В результате реакции в зоне сварки образуется смесь из трёх газов: углекислый
газ (СО2), угарный газ (СО) и кислород (О2). Поток этих газов не только защищает
зону сварки от вредного воздействия атмосферного воздуха, но и активно взаимодействует
с железом и углеродом, находящимися в составе стали по реакциям:

Fe + CO2 = FeO + CO
2Fe + 2CO2 = 2FeO
2C + 2CO2 = 4CO
2C + 2O2 = 2CO2

Нейтрализовать окислительное действие углекислого газа можно путём введения
в сварочную проволоку избыточного кремния и марганца. Кремний и марганец химически
более активны, чем железо, поэтому, вначале окисляются они по реакциям:

Mn + CO2 = MnO + CO
Si + 2CO2 = SiO2 + 2CO
2Mn + O2 = 2MnO
Si + O2 = SiO2

Пока в зоне сварки присутствуют в свободном состоянии более активные кремний
и марганец, окисления железа и углерода не происходит.

Хорошее качество сварных соединений при сварке
углеродистых сталей обеспечивается при соотношении количества марганца к
кремнию в соотношении: Mn/Si=1,5…2. Формирующиеся в процессе сварки оксиды кремния
и марганца не растворяются в сварочной ванне, а реагируют друг другом, образуя
легкоплавкое соединение, которое в виде шлака быстро выводится на поверхность
жидкого металла.

Ссылка на основную публикацию