«АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ»

АКУСТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

- раздел экс-перим. акустики, в к-ром изучаются частотные зависимости параметров распространения звука (коэфф. затухания и скорости распространения) с целью определения структуры или свойств вещества.

Распространены методы А. с., основанные на исследовании затухания, и в частности поглощения звука. Для большинства жидкостей и газов характерна квадратичная зависимость коэфф. поглощения от частоты. Отклонение от этого закона, как правило, связано с релаксационными процессами (см. Релаксация акустическая), наличие к-рых в исследуемом веществе приводит к появлению дисперсии звука. В релаксирующих средах поглощение звука может меняться на неск. порядков, при этом изменение скорости распространения в большинстве случаев не превышает неск. процентов. В гетерогенных средах, а также в поликристаллич. твёрдых телах с размерами структурных неоднородностей порядка длины волны определяющим механизмом затухания звуковых и УЗ-колебаний при их распространении является рассеяние. Частотная зависимость затухания в этом случае имеет сложный характер и коэфф. затуханий может быть пропорц. различной степени частоты (в зависимости от соотношений размеров неоднородностей и длины волны), вплоть до четвёртой.

Методами А. с. пользуются в молекулярной акустике при исследовании газов и жидкостей. Анализ частотных зависимостей параметров распространения УЗ в твёрдых телах позволяет определить экстремальные диаметры ферми-поверхностей и эфф. массы электронов, выявить несовершенство кристаллич. решёток, дислокации, домены, кристаллиты и т. п. Дополнит. информация о структуре исследуемого вещества может быть получена при изменении внеш. условий: темп-ры, давления, напряжённости электрич. и магн. полей, освещённости, интенсивности проникающих излучений и т. п. В таких исследованиях, как правило, определяют не абс. значения параметров распространения, а их относит. изменения, при этом эти измерения на один-два порядка точнее абс. измерений. Такой подход позволяет, напр., проводить исследования слабых растворов биополимеров, где требуется разрешающая способность 10^-6-10^-7 при измерениях приращений скорости звука, в то время как при измерении абс. значения скорости может быть достигнута точность 10^-4-10^-5. Аналогично при измерении относит. приращений коэфф. затухания может быть достигнута точность (2-5)*10^-3, при этом значения абс. величины измеряются с точностью (2-5)*10^-2.

Лит.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, М., 1968, гл. 5, 6, ч. Б, М., 1969, гл. 1-3; т. 4, ч. А, М., 1969, гл. 4, ч. Б, М., 1970, гл. 4.

Б. Е. Михалёв, А. С. Химунин.

изучает распространение в в-ве звуковых волн малых амплитуд. В случае продольных волн частицы или малые элементы объема, содержащие не менее 10⁴ молекул, колеблются вдоль направления распространения волны, в случае поперечных-в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Продольные волны создают последовательно чередующиеся адиабатич. сжатия и разрежения среды, сопровождающиеся изменением т-ры и соответствующим смещением равновесия хим. р-ций. В областях сжатия и разрежения возникают небольшие локальные отклонения от термодинамич. равновесия, не приводящие (в случае звуковых колебаний малых амплитуд) к фазовым переходам. Среда стремится вернуться в состояние термодинамич. равновесия, т. е. возникают релаксац. процессы, к-рые приводят к поглощению энергии волн. Убывание амплитуды (избыточного давления Р) плоской волны, распространяющейся вдоль направления х. описывается ур-нием: Р(х) =,> где Р ₀ -начальная амплитуда, -коэф. поглощения, зависящий от частоты v (v = ¹/₂ Т, где T-период волны).

Рис. 1. Дисперсия скорости звука.

При релаксации фазовая скорость Сволны также зависит от v, т. е. наблюдается дисперсия скорости звука. Если Тнамного меньше времени релаксации звуковые колебания не успевают изменить состояние среды, и при vС-> (см. рис. 1). При (низкие частоты) термодинамич. равновесие среды в осн. успевает установиться и скорость звука будет меньше (vЧ>0, СЧ>С ₀). Наиб. изменение С наблюдается в т. наз. дисперсионной области при частоте релаксации v_p = ^l/₂

В методах А. с. измеряют зависимости С и от v (или ) с помощью акустич. спектрометров, обычно содержащих излучатель и приемник звуковых колебаний. Распространены приборы, позволяющие измерять Си в жидкой среде в интервале v 10⁴-10⁹ Гц. Требующийся для измерений объем в-ва составляет (10C/v)³. относит. погрешность измерений С-10^-1 - 10^-3%,-5-10%.

При проведении исследований сначала находят эксперим. зависимости С и от v. Затем, исходя из той или иной модели релаксац. процесса, рассчитывают теоретич. зависимости и сравнивают их с экспериментальными. Наиб. часто релаксац. процесс описывают с помощью представлений об элементарных хим. р-циях. В терминах элементарных р-ций могут быть описаны любые резкие изменения состояния системы, приводящие к разрыву или образованию хим. связей, конформац. превращениям, поглощению или испусканию фононов или фотонов и т. д. В Наиб. простых случаях зависимости и С от со описываются ур-ниями:

Здесь -время акустич. релаксации, обусловленное некрой р-цией, b _а-> релаксац. сила, соответствующая этой р-ции, - "релаксирующая" часть коэффициента поглощения, -длина волны, соответствующая круговой частоте

В кач-ве примера на рис. 2 представлена простая релаксац. полоса поглощения звука в акустич. спектре жидкого бензола. Ее максимум соответствует релаксац. частоте v_p = = ¹/_2PS; > ордината максимума равна b _а/2; > полуширина полосы v_1/2 =

Рис. 2. Зависимость величины от частоты звуковых колебаний в жидком бензоле при 20