скорость распространения какой-либо фиксированной фазы звуковой волны; называется также фазовой скоростью, в отличие от групповой скорости (См.
Групповая скорость)
. С. з. обычно величина постоянная для данного вещества при заданных внешних условиях и не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и С. з. зависит от частоты, говорят о дисперсии
звука (См.
Дисперсия звука)
.
Для газов и жидкостей, где звук распространяется обычно адиабатически (т. е. изменение температуры, связанное со сжатиями и разряжениями в звуковой волне, не успевает выравниваться за период), выражение для С. з. можно представить, как
,
где Кад - адиабатический модуль объёмного сжатия, ρ - плотность, βад - адиабатическая сжимаемость, βиз = γβад - изотермическая сжимаемость, γ = cp/cv - отношение теплоёмкостей при постоянном давлении cp и при постоянном объёме cv.
В идеальном газе С. з.
(формула Лапласа), где ρ0 - среднее давление в среде, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, μ - молекулярный вес газа. При γ = 1 получаем формулу Ньютона для С. з., соответствующую предположению об изотермическом характере процесса распространения. В жидкостях обычно можно пренебречь различием между адиабатическим и изотермическим процессами.
С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в твёрдых телах, поэтому при сжижении газа С. з. возрастает. В табл. 1 и 2 приведены значения С. з. для некоторых газов и жидкостей, причём в тех случаях, когда имеется дисперсия С. з., приведены её значения для малых частот, когда период звуковой волны больше, чем время релаксации (См.
Релаксации время)
.
Табл. 1. - Скорость звука в газах при 0 °C и давлении 1 атм
--------------------------------------------------------------
| Газ | с, м/сек |
|------------------------------------------------------------|
| Азот | 334 |
|------------------------------------------------------------|
| Кислород | 316 |
|------------------------------------------------------------|
| Воздух | 331 |
|------------------------------------------------------------|
| Гелий | 965 |
|------------------------------------------------------------|
| Водород | 1284 |
|------------------------------------------------------------|
| Метан | 430 |
|------------------------------------------------------------|
| Аммиак | 415 |
--------------------------------------------------------------
С. з. в газах растет с ростом температуры и давления; в жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростом температуры. Исключением из этого правила является вода, в которой С. з. увеличивается с ростом температуры и достигает максимума при температуре 74 °С, а с дальнейшим ростом температуры уменьшается. В морской воде (См.
Морская вода)
С. з. зависит от температуры, солёности и глубины, что определяет ход звуковых лучей в море и, в частности, существование подводного звукового канала.
Табл. 2. - Скорость звука в жидкостях при 20° С
------------------------------------------------------------------------
| Жидкость | с, м/сек |
|----------------------------------------------------------------------|
| Вода | 1490 |
|----------------------------------------------------------------------|
| Бензол | 1324 |
|----------------------------------------------------------------------|
| Спирт этиловый | 1180 |
|----------------------------------------------------------------------|
| Четырёххлористый углерод | 920 |
|----------------------------------------------------------------------|
| Ртуть | 1453 |
|----------------------------------------------------------------------|
| Глицерин | 1923 |
------------------------------------------------------------------------
С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.
С. з. в изотропных твёрдых телах определяется модулями упругости (См.
Модули упругости) вещества и его плотностью. В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) волны, причём фазовая С. з. для продольной волны равна
,
а для сдвиговой
где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига, γ - коэффициент Пуассона, К - модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн (см. табл. 3).
Табл. 3. - Скорость звука в некоторых твердых телах.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| | cl, м/сек, | | сlст, м/сек, |
| Материал | скорость | ct, м/сек, скорость | скорость звука в |
| | продольной | сдвиговой волны | стержне |
| | волны | | |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Кварц плавленый | 5970 | 3762 | 5760 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Бетон | 4200-5300 | - | - |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Плексиглас | 2670-2680 | 1100-1121 | 1840-2140 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Стекло, флинт | 3760-4800 | 2380-2560 | 3490-4550 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Тефлон | 1340 | - | - |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Эбонит | 2405 | - | 1570 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Железо | 5835-5950 | - | 2030 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Золото | 3200-3240 | 1200 | 2030 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Свинец | 1960-2400 | 700-790 | 1200-1320 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Цинк | 4170-4210 | 2440 | 3700-3850 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Никель | 5630 | 2960 | 4785-4973 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Серебро | 3650-3700 | 1600-1690 | 2610-2800 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Латунь Л59 | 4600 | 2080 | 3450 |
|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Алюминиевый сплав АМГ | 6320 | 3190 | 5200 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
В монокристаллических твёрдых телах С. з. зависит от направления распространения волны относительно кристаллографических осей. Во многих веществах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от обработки, которой был подвергнут металл: прокат, ковка, отжиг и т. п.
Измерение С. з. используется для определения многих свойств веществ. Измерение малых изменений С. з. является чувствительным методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерения С. з. и её зависимость от разных факторов позволяют исследовать зонную структуру полупроводников (См.
Полупроводники)
, строение Ферми поверхностей (См.
Ферми поверхность)
в металлах и пр. Ряд контрольно-измерительных применений ультразвука в технике основан на измерениях С. з.
Всё вышеизложенное относится к распространению
звука в сплошной среде, т. е. С. з. является макроскопической характеристикой среды. Реальные вещества не являются сплошными; их дискретность приводит к необходимости рассмотрения упругих колебаний др. типов. В твёрдом теле понятие С. з. относится только к акустической ветви колебаний кристаллической решётки (См.
Колебания кристаллической решётки)
.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, М., 1970; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.
А. Л. Полякова.