Загасання звукових хвиль

Однією з головних причин загасання звукових хвиль в газі, є наявність в'язкості і теплопровідності, що приводить до дисипації енергії звукових хвиль, в зв'язку з чим звук поглинається, тобто його інтенсивність поступово зменшується. Виведемо формулу, що використовується в даній роботі для розрахунку коефіцієнта загасання звуку, що враховує дисипацію енергії за рахунок молекулярної в'язкості і теплопровідності.

Для обчислення діссіпіруемой в одиницю часу енергії Емех скористаємося наступними загальними міркуваннями. Механічна енергія являє собою не що інше, як максимальну роботу, яку можна отримати при переході з даного нерівноважногостану в стан термодинамічної рівноваги. Як відомо з термодинаміки, максимальна робота здійснюється, якщо перехід відбувається зворотним чином (тобто без зміни ентропії), і дорівнює відповідно до цього:

Де Е0 є заданий початкове значення енергії тіла в стані рівноваги з тієї ж ентропіейS, яку тіло мало спочатку. Диференціюючи за часом, отримуємо:

Похідна від енергії по ентропії є температура. Тому

- температура, яку мало б тіло, якби воно знаходилося в стані термодинамічної рівноваги (з заданим значенням ентропії). Позначаючи цю температуру як Т0 маємо, отже:

Скористаємося для Sвираженіем:

що включає в себе зростання ентропії, обумовлений як теплопровідністю, так і в'язкістю. Оскільки температура Т мало змінюється уздовж рідини і мало відрізняється від Т0. то можна винести її з-під знака інтеграла і писати Т замість Т0:

.

Ця формула є узагальненням формули

на випадок стисливої ​​рідини і наявності теплопровідності.

Нехай вісь х збігається з напрямком поширення звукової хвилі. тоді

Два останніх члена в (1.21) дають

.

Нас, звичайно, цікавить середнє за часом значення величин; усереднення дає

.

(V0 - об'єм рідини).

Далі, обчислимо перший член в (1.21). Відхилення Т 'температури в звуковій хвилі від свого рівноважного значення пов'язане зі швидкістю формулою

так що градієнт температури дорівнює

.

Для середнього за часом значення від першого члена в (1.21) отримуємо:

.

За допомогою відомих термодинамічних формул

можна переписати вираз у вигляді

.

Збираючи отримані вирази, знаходимо середнє значення дисипації енергії у вигляді

Повна ж енергія звукової хвилі дорівнює

Для звуку маємо справу із завданням, в якій звукова хвиля поширюється уздовж рідини і її інтенсивність падає зі збільшенням пройденої відстані x. Очевидно, що це зменшення буде відбуватися згідно із законом, а для амплітуди як -, де коефіцієнт поглинання γ визначається за допомогою

.

Підставляємо сюди (1.22) і (1.23), знаходимо, таким чином, наступний вираз для коефіцієнта поглинання звуку [10]:

яке використовується для розрахунку об'ємного ефекту загасання звукових хвиль при верифікації.

Глава 2 Методика розрахунку

Постановка задачі

Схожі статті