МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА
, раздел физической акустики, в к-ром свойства
вещества и кинетика молекулярных процессов исследуются акустич. методами.
Осн. методами М. а. являются измерение скорости звука и поглощения звука
и зависимостей этих величин от разных физ. параметров: частоты звуковой
волны, темп-ры, давления и др. Методами М. а. можно исследовать газы, жидкости,
полимеры, твёрдые тела, плазму. Развитие М. а. как самостоят, раздела началось
в 30-е годы 20 в., когда было установлено, что во многих веществах при
распространении в них звуковых волн имеет место дисперсия скорости звука
(см. Дисперсия звука), а поглощение звука не описывается классич. законом,
по к-рому коэфф. поглощения пропорционален квадрату частоты. Эти аномалии
были объяснены на основании изучения релаксационных процессов (см. Релаксация),
что позволило связать нек-рые свойства вещества на молекулярном уровне,
а также ряд кинетич. характеристик молекулярных процессов с такими макроскопич.
величинами, как скорость и поглощение звука.
По скорости звука можно определить такие характеристики вещества, как
сжимаемость, отношение теплоёмкостей, упругие свойства твёрдого тела и
др., а по поглощению звука - значения сдвиговой и объёмной вязкости, время
релаксации и др. В газах, измеряя скорость звука и её зависимость от темп-ры,
определяют параметры, характеризующие взаимодействие молекул газа при столкновениях.
В жидкости, вычисляя скорость звука на основании той или иной модели жидкости
и сравнивая результаты расчёта с опытными данными, в ряде случаев можно
оценить правдоподобность используемой модели и определить энергию взаимодействия
молекул. На скорость звука влияют особенности молекулярной структуры, силы
межмолекулярного взаимодействия и плотность упаковки молекул. Так, напр.,
увеличение плотности упаковки молекул, появление водородных связей, полимеризация
приводят к увеличению скорости звука, а введение в молекулу тяжёлых атомов
-к её уменьшению.
При наличии релаксац. процессов энергия постулат, движения молекул,
к-рую они получают в звуковой волне, перераспределяется на внутр. степени
свободы. При этом появляется дисперсия скорости звука, а зависимость произведения
коэфф. поглощения на длину волны от частоты имеет максимум на нек-рой частоте,
наз. частотой релаксации. Величина дисперсии скорости звука и величина
коэфф. поглощения зависят от того, какие именно степени свободы возбуждаются
под действием звуковой волны, а частота релаксации, равная обратному значению
времени релаксации, связана со скоростью обмена энергией между различными
степенями свободы. Т. о., измеряя скорость звука и поглощение в зависимости
от частоты и определяя время релаксации, можно
судить о характере молекулярных процессов и о том, какой из этих процессов
вносит осн. вклад в релаксацию. Этими методами можно исследовать возбуждение
колебат. и вращат. степеней свободы молекул в газах и жидкостях, процессы
столкновения молекул в смесях различных газов, установление равновесия
при химич. реакциях, перестройку молекулярной структуры в жидкостях, процессы
сдвиговой релаксации в очень вязких жидкостях и полимерах, различные процессы
взаимодействия звука с элементарными возбуждениями в твёрдых телах и др.
Анализ акустич. данных для жидкостей обычно
проводить труднее, чем для газов, поскольку область релаксации здесь, как
правило, лежит в диапазоне более высоких частот, требующем более сложных
измерений. В очень вязких жидкостях, полимерах и нек-рых др. веществах
в поглощение и дисперсию может давать вклад целый набор релаксац. процессов
с широким спектром времён релаксации. Поскольку время релаксации зависит
от темп-ры и давления, меняя эти параметры, можно сдвигать по частоте область
релаксации. Так, напр., в газе повышение давления газа эквивалентно уменьшению
частоты. Это бывает удобно использовать при измерении скорости и поглощения
звука, если частота релаксации при нормальных условиях оказывается в том
диапазоне частот, к-рый с трудом поддаётся экспериментальному исследованию.
Изучение температурных зависимостей скорости и поглощения звука позволяет
разделить вклад различных релаксац. процессов.
В М. а. для исследований обычно применяется
ультразвук:
в
газах - в диапазоне частот 104-105гц, а в
жидкостях и твёрдых телах - в диапазоне 105-108гц.
Это
связано как с высоким развитием техники излучения и приёма ультразвука
и с большой точностью измерений в этом диапазоне частот, так и с тем, что
работа на более низких частотах потребовала бы очень больших объёмов исследуемого
вещества, а на более высоких частотах поглощение звука становится столь
большим, что многие акустич. методы оказываются неприменимыми.
Лит.: Михайлов И. Г., Соловьев В.
А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая
акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, М., 1968, т. 4,
ч. А и Б, М., 1970; Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике,
пер. с нем., М., 1956; Herzf e Id К. F., Litovitz Т. A., Absorption and
dispersion of ultrasonic waves, N. Y.- L., 1959. А.Л.Полякова.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я