Распространение звуковых волн в металле

Обновлено: 04.10.2024

Приблизительная скорость слышимого, среднечастотного звука (частотой порядка 1-2 кГц) и максимальная дальность его распространения в различных средах:

в воздухе - 344.4 метров в секунду (при температуре 21.1 по шкале Цельсия) и примерно 332 м/с - при нуле градусов;
в воде - приблизительно 1.5 километра в секунду;
в дереве твёрдых сортов - порядка 4-5 км/с вдоль волокон и в полтора раза меньше - поперёк.

При 20 °С., скорость звука в пресной воде равна 1484м/с (при 17° - 1430), в морской - 1490 м/с.

Скорость звука в металлах и других твёрдых телах(приведены величины только самых быстрых, продольных упругих волн):

в нержавеющей стали - 5.8 километров в секунду.
Чугун - 4.5
Лёд - 3-4км/с
Медь - 4.7 км/с
Алюминий - 6.3км/с
Полистирол - 2.4 километров в секунду.

С повышением температуры и давления, скорость звука в воздухе - возрастает. В жидкостях - обратная зависимость по температуре.

Скорости распространения упругих продольных волн в массивах горных пород, м/с:

почва - 200-800
песок сухой / влажный - 300-1000 / 700-1300
глина - 1800-2400
известняк - 3200-5500

Уменьшают дальность распространения звука, вдоль поверхности земли - высокие преграды (горы, здания и строения), противоположное направление ветра и его скорость, а так же другие факторы (пониженное атмосферное давление, повышенная температура и влажность воздуха). Расстояния, на которых источник громкого шума почти не слышно - обычно, от 100 метров (при наличии высоких преград или в густом лесу), до 300-800 м. - на открытой местности (при попутном среднем ветре - дальность увеличивается до километра и более). С расстоянием "теряются" (быстее гасятся и рассеиваются) более высокие частоты и остаются низкочастотные звуки. Максимальная дальность распространения инфразвука средней интенсивности (человек его не слышит, но воздействие на организм есть) - десятки и сотни километров от источника.

Интенсивность затухания (коэффициент поглощения) звука средних частот (порядка 1-8 кГц), при нормальном атмосферном давлении и температуре, над землей с невысокой травой, в степи - приблизительно 10-20 дБ на каждые 100 метров. Поглощение пропорционально квадрату частоты акустических волн.

Если во время грозы вы увидели сильную молнию и через 12 секунд услышали первые раскаты грома - это значит, что молния ударила в четырёх километрах от вас ( 340 * 12 = 4080 м.) В приблизительных расчётах принимается - три секунды на километр расстояния (в воздушном пространстве) до источника звука.

Линия распространения звуковых волн отклоняется в направлении уменьшения скорости звука (рефракция на градиенте температуры), то есть, солнечным днём, когда воздух у поверхности земли теплее, чем вышележащий - линия распространения звуковых волн изгибается вверх, но если верхний слой атмосферы окажется теплее приземного, то звук пойдёт оттуда обратно вниз и слышно будет лучше.

Дифракция звука - огибание волнами препятствия, когда его размеры сравнимы с длиной волны или меньше ее. Если намного больше длины волны, то звук отражается (угол отражения равен углу падения), а позади препятствий формируется зона акустической тени.

Отражения звуковой волны, её рефракция и дифракция - вызывают многократное эхо (реверберацию), что оказывает значительное влияние на слышимость речи и музыки в помещении или за его пределами, что учитывается при звукозаписи, для получения живого звучания (путём размещения в оптимально близких зонах стереокартины малогабаритных микрофонов с острой характеристикой направленности, для записи прямого звука, с последующим сведением и микшированием «сухой» записи процессором в цифру или используя дальние-равноудалённые, хорошо настроенные микрофоны окружения с дополнительной записью отражённых звуков).

Скорость звука и дальность его распространения

Почему металл звенит?

Интересно

По звуку, который издает тот или иной предмет, можно понять, из какого материала он сделан. Наверняка каждый из нас сможет легко определить, какая вещь упала на пол, даже не глядя на нее. Ведь разница между стеклянной чашкой, деревянной дощечкой или металлической ложкой сразу заметна. Но в чем секрет звонкости металла, который звучит громче других материалов.

Как возникает звук?

Чтобы понять, почему металл звенит, рассмотрим сперва природу возникновения звука. Это явление физического характера, которое представляет собой распространение механических колебаний в определенной среде – жидкой, твердой либо газообразной.

Сами же колебания являются упругими волнами. Они распространяются под действием упругих сил. В целом звук можно назвать субъективным понятием, поскольку зависит он от восприятия органами слуха. У звука есть 2 основные свойства – это частота и амплитуда. Частота связана с тоном и высотой, а амплитуда – с громкостью.

Восприятие звука

Проще говоря, звук появляется, когда частицы в определенной среде выводятся из состояния покоя. Происходят еле заметные перепады давления. Чаще всего мы воспринимаем звуки в воздухе, но они легко проходят и сквозь воду, и через твердые предметы.

Интересный факт: воспринимаемые человеческим ухом звуковые колебания находятся в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Все, что ниже этого диапазона, называется инфразвуком. Колебания от 21 кГц до 1 ГГц – это ультразвук, а выше 1 ГГц – гиперзвук.

Например, когда человек говорит, воздух из легких проходит через голосовые связки, которые создают колебания и перепады давления. Наглядный пример образования звука – гитарная струна. Прикосновения заставляют ее быстро вибрировать и издавать характерные звуки. Но если резко прекратить движения струны, то пропадут и вибрации, и звуки.

Свойства металла

Любой предмет состоит из определенных материалов, а те, в свою очередь, из мельчайших частиц. Чтобы услышать звук, необходимо нарушить равновесие данных частиц, заставить их вибрировать. Из этого исходит, что любая вещь может создавать звуковые волны.

Почему же тогда удар по металлическому предмету вызывает громкий звон, а, упавший рулон ткани, к примеру, только еле уловимый шорох? Оказывается, все зависит от типа вещества и его свойств.

Виды деформации

Металлу свойственны многочисленные положительные свойства. Вероятно, поэтому он активно используется человечеством во все отраслях с самых давних времен. Это прочность, долговечность, электро- и теплопроводимость, ковкость и др.

Но с точки зрения звуковых колебаний, наибольший интерес вызывает упругость металла. Это способность твердого материала возвращать первоначальный размер и форму при упругой деформации.

Другими словами, воздействие на металлический предмет меняет его параметры. Однако если перестать прикладывать силу по отношению к предмету, то он вернется к прежнему размеру, форме.

Упругость свойственна разным материалам. Но природа данного свойства у каждого своя. Например, резина растягивается и возвращается к исходному положению за счет растяжения полимерной цепочки. Воздействие силы на металл заставляет меняться его атомную решетку, после чего она тоже приобретает изначальную форму.

Хороший пример – столкновение двух металлических крышек. Хоть внешне мы не увидим каких-то изменений, равновесие мельчайших частиц нарушено, возникают очень быстрые вибрации.

Металлы, как правило, одинаково хорошо сжимаются и растягиваются

Металл стремится вернуться в первоначальное состояние, но силы упругости действуют в нем слишком активно. Поэтому в течение доли секунды происходят колебания, интенсивность которых постепенно снижается. Окружающий воздух то сжимается, то разжижается, вызывая характерный звон.

Интересный факт: еще одно интересное свойство некоторых металлов – пластичность. Можно сгибать металлическую проволоку и она не сломается. В пластичных металлах слои атомов смещаются, но связи между ними остаются такими же прочными. Самые пластичные – золото, серебро, медь, а самые хрупкие – марганец, цинк, олово.

Примечательно, что металлы – это довольно большая группа химических элементов и свойства у них разные. То же самое касается и издаваемых звуков. Частота звуковых колебаний зависит не только от упругости металла, но и от формы, размера, массы предмета.

Классические колокола изготавливаются из специальной колокольной бронзы (80% меди, 20% олова)

Один из самых старых музыкальных и сигнальных инструментов – металлический колокол. В старину особенно ценились колокольные мастера, которым удавалось подобрать идеальный состав, а также внешние параметры инструмента.

Металл звенит благодаря его упругости. Это свойство вещества при упругой деформации возвращать первоначальную форму и размер. При воздействии на металлический предмет возникают частые и быстрые колебания мельчайших его частиц, стремящихся вернуться к состоянию равновесия. Происходят перепады давления, которые воспринимаются нашими органами слуха как звон.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твёрдых телах В.А. Красильников

Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1960 г., 560 стр.

В книге в доступной форме излагаются основные физические вопросы, связанные с распространением звуковых и ультразвуковых волн в воздухе, воде и твёрдых телах, и различные применения этих волн.

Большое место уделено ультразвуковым волнам и их применениям, а также распространению звука в атмосфере (атмосферная акустика), в море (гидроакустика) и земле (сейсмология). Рассматриваются вопросы распространения звуковых и ультразвуковых волн большой интенсивности в газах и особенно в жидкостях. Разбираются наиболее важные вопросы аэротермоакустики (шум струи, порождение звука турбулентностью). Рассмотрены вопросы распространения упругих волн в твёрдых телах (в особенности в металлах), а также основные применения ультразвука при излучении упругих свойств твёрдых тел. Основное внимание обращается на физический смысл того или иного явления.

Книга предназначена для лиц, имеющих среднее образование, и может быть полезна преподавателям средней школы, студентам, техникам, инженерам, морякам-гидроакустикам и лицам, работающим в смежных с акустикой областях.

Труба и сирена. Голос
Излучение звука. Влияние размеров колеблющейся поверхности
Телефон
Электродинамический громкоговоритель (динамик)
Рупор
Термофон. Ионофон
Озвучение больших площадей
Направленность излучения звука
Пульсирующий шар (излучатель нулевого порядка)
Акустический диполь (излучатель первого порядка)
Квадруполь (излучатель второго порядка)

Глава 4. Некоторые опыты со звуком. Анализ звука

Некоторые опыты со звуком
Измерение скорости звука акустическим интерферометром

Акустический интерферометр с бегущими волнами
Радиоинтерферометр

Спектральное представление сложных колебаний
Анализ звука. Шум

Анализ звука
Резонаторы Гельмгольца
Современные методы анализа звука
Визуализация речи

Глава 5. Ультразвуковые волны в воздухе

Получение ультразвука. Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект
Кварцевые пластинки как излучатели и приёмники ультразвука
Излучатели и приёмники ультразвука из кристаллов сегнетовой соли
Применение в ультразвуковой технике кристаллов ADP и KDP и титаната бария

Магнитострикция. Магнитострикционные излучатели и приёмники ультразвука

Магнитосткрикция
Магнитострикционные излучатели и приёмники

Распространение ультразвука в воздухе и газах

Измерение скорости ультразвука и его поглощения
Коэффициент поглощения

Молекулярное поглощение и дисперсия ультразвука

Дисперсия и молекулярное поглощение ультразвука
Физический механизм молекулярного поглощения. Время релаксации
Дисперсия ультразвука в многоатомных газах
Аномальное поглощение звука во влажном воздухе

Глава 6. Распространение звука в помещениях и в свободной атмосфере

Заполнение помещения звуком. Реверберация

Заполнение помещения звуком
Время реверберации

Звукопоглотители
Измерение коэффициента звукопоглащения материалов
Резонансные звукопоглатители
Звукомерные камеры

Распространение звука в атмосфере

Влияние ветра на ход звуковых лучей
Влияние температуры
Турбулентность атмосферы и её влияние на распространение звука
Рассеяние звука атмосферной турбулентностью

Вихревой звук
"Голос моря"
Псевдозвук
Порождение звука турбулентностью
Шум турбулентной струи
Аэротермоявления

Глава 7. Звуковые и ультразвуковые волны в жидкостях

Скорость звука в жидкости. Поглощение звука в воде

Скорость звука
Ультразвуковой интерферометр со стоячими волнами
Поглощение звука в пресной и морской воде

Отражение и преломление звука на границе раздела двух сред

Коэффициент отражения
Нормальное падение звука на границу раздела
Отражение и преломление плоской волны, падающей на границу раздела под косым углом

Ультразвуковые волны в жидкости

Фотографирование ультразвуковых волн
Дифракция света на ультразвуке
Поглощение и дисперсия ультразвука в жидкостях. Релаксационная теория
Гиперзвук. Рассеяние света на упругих тепловых волнах

"Звуковая оптика" (фокусирующие системы)

"Звуковая оптика"
Вогнутые зеркала (рефлекторы)
Акустические линзы
Зональные пластинки
Ультразвуковой "микроскоп"

Второй звук в жидком гелии
Распространение звука в море

Особенности распространения звука в море
Рефракция звуковых лучей
Слой скачка
Влияние пузырьков воздуха
Влияние температурных неоднородностей
Реверберация моря
Глубокий звуковой канал. Сверхдальнее распространение звука

Гидроакустика и гидролокация

Звуковое измерение глубин. Эхолоты
Горизонтальный эхолот. Гидролокатор
Шумопеленгование

Глава 8. Ультразвуковые волны большой интенсивности. Ударные волны

Мощные ультразвуковые волны

Ультразвуковые волны большой интенсивности
Получение мощного ультразвука
Крепления кварцевых пластинок. Связь кварцевого излучателя с генератором

Акустическое течение (акустический "ветер")
Измерение поглощения ультразвука по скорости акустического "ветра"

Искажение формы ультразвуковой волны

Искажение формы волны в газах и жидкостях
Эксперименты по наблюдению искажения формы ультразвуковой волны в жидкости
Непосредственное наблюдение пилообразной формы волны

Поглощение плоских ультразвуковых волн конечной амплитуды

Влияние искажения формы волны на поглощение
Методы измерения коэффициента поглощения
Эксперименты по измерению поглощения волн конечной амплитуды

Образование ударной волны
Уравнение Гюгонио (ударная адиабата)
Скорость ударной волны
Скорость спутного движения
Ударные волны при обтекании тел сверхзвуковым потоком
Волны в свободных газовых струях
Газоструйный генератор ультразвука
Ударные волны в воде. Гидравлический удар

Глава 9. Звуковые и ультразвуковые волны в твёрдых телах

Упругие свойства твёрдых тел

Типы деформаций
Закон Гука. Деформации растяжения и сжатия. Модуль Юнга
Коэффициент Пуассона
Деформация сдвига. Модуль сдвига

Типы упругих волн. Измерение модулей упругости твёрдых тел акустическими методами

Продольные волны
Измерение модуля Юнга акустическим (динамическим) методом
Скорость продольных волн в сплошной среде
Поперечные волны или волны сдвига
Дисперсия продольных ультразвуковых волн в стержне
Групповая скорость. Скорость фронта. Скорость сигнала
Применение акустического метода к исследованию ферромагнитных металлов
Поверхностные волны
Отклонения от закона Гука. Пластические волны. Волны конечной амплитуды

Распространение упругих волн. Ультразвук в твёрдых телах.

Отражение и преломление волн на границе раздела
Измерение скорости и поглощения ультразвука
Поглощение упругих волн в твёрдых телах
Распространение упругих волн в гранулированной среде
Фотографирование ультразвуковых волн. Дифракция света
Тепловые механические колебания (флюктуации) пьезоэлектрических кристаллов
Ультразвуковая дефектоскопия металлов и сплавов
Ультразвуковые линии задержки
Воздействие ультразвука на твёрдые тела
Отражение звука упругими оболочками и пластинками. Явление аномального (незеркального) отражения и прохождения звука

Глава 10. Распространение упругих волн в земной коре

Землетрясения как источник упругих волн в земле
Обнаружение и запись сейсмических волн. Сейсмографы
Сейсмограммы землетрясений. Строение земного шара
Сейсмические методы разведки полезных ископаемых

Читайте также: