сию звука и аномальное поведение коэффициента поглогцения в зависимости от частоты.

С этого времени в большом количестве проводятся экспериментальные и теоретические работы по исследованию дисперсии и поглощения ультразвуковых волн в газах, а затем и в жидкостях, среди которых следует отметить работы Кнезера [9] и Бикара [10]. К настоящему времени накопилось очень большое количество работ по измерению скорости и поглощения ультразвука в газах, в смесях газов, жидкостях, смесях различных жидкостей, растворах, электролитах, проведенных при разных физических условиях (температура, давление, плотность, фазовые переходы и т. д.). Результаты этих измерений важны не только для изучения молекулярных свойств газов и жидкостей, но также широко используются в технике для контроля протекания различных технологических процессов (по изменению скорости и поглощения звука). Методика этих измерений хорошо отработана и изложена во многих учебниках, поэтому мы не будем ее описывать. Отметим только, что на ультразвуковых частотах современные импульсные, фазовые и в особенности импульсно-фазовые методы позволяют получить относительную ошибку Ас/с~10~-10~8, а абсолютное значение с измерять с точностью ~10~*%. Аппаратурная точность может быть выше, однако точность измерения скорости ограничивается трудностью поддерживать неизменными физические свойства среды (температуру, плотность, однородность, отсутствие потоков и т. д.) и неоднородностями акустического поля; абсолютное значение а в области ультразвуковых частот можно измерять с ошибкой 2-5%. Трудности в определении коэффициента поглощения звука по результатам измерений также состоят в необходимости детального учета неоднородности излучаемого акустического поля, дифракционных эффектов, неизменности физических свойств среды. Для газов измерения на частотах выше нескольких МГц (при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре) затруднены из-за очень большого поглощения.

Чтобы иметь представление о порядке величин поглощения, приведем значения а для некоторых газов и жидкостей при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С в мегагерцевом диапазоне частот:

0,1-

0,0/

qooo

оо;>

с, м/с

/20 -

ООО

оооо о о о

W f, Гц

о -с------

Заметим, что в жидкостях, как правило, поглощение значительно меньше, чем в газах (например, в воде а примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе).

Измерения поглощения звука а в газах и жидкостях акустическими методами в области ультразвуковых частот дают возможность, согласно формуле (2.12), определить объемную вязкость т), если известна сдвиговая вязкость т) (значение которой рассчитывается или находится другими, неакустическими методами) и известны параметры, соответствующие условиям измерений, т. е. со, р, с, н, входящие в формулу для а. При этом в большом числе случаев вклад н в а для газов имеет существенное значение,тогда как для неметаллических жидкостей вклад теплопроводности в значение а не так велик (примерно на порядок меньше, чем вклад от влияния 11 и т)). Ультразвуковые измерения г\ по разности измеренного а и вычисленного по значениям т) и параметров эксперимента, по существу, являются единственным (косвенным) методом измерения объемной вязкости. В отсутствие релаксационных процессов (см. ниже), значение т) и т] для многих простых жидкостей примерно равны. Для одноатомных газов *эксп практически совпадает со значением а=о: , вычисленным согласно формуле (2.13), т. е. при т)=- 0. Многочисленные измерения с и а в многоатомных газах показали, что экспериментальные значения а оказываются существенно большими, чем вычисленные по формуле Стокса - Кирхгофа (2.13), т. е. что имеется заметное, так называемое сверхстоксово поглощение. Так, в СОз на частоте 300 кГц было обнаружено резкое повышение поглощения а 20ад. Интересно, что вблизи этой частоты наблюдалась заметная дисперсия скорости звука: в диапазоне частот (1-2,8)-10 Гц с изменяется от (,=258,9 м/с (значение совпадает со значением, вычисленным по формуле Лапласа) до с = = 271 м/с. На частотах ~10Гц и выше величина поглощения снова совпадает со значением, которое дает классическая теория. Экспериментальные зависимости аКисв газе CCl от частоты [1Ппредставлены на рис. 2.1. Отметим уже здесь, что на частоте, где имеется максимальная дисперсия, наблюдается и максимум поглощения

Сд=ЩЗМ/С

100\-

W Гц

Рис. 2.1. Поглощение (а) и скорость (б) звука в газе CCI4 при р= \ атм [11].

звука. Обратим внимание на то, что если скорость звука в указанном диапазоне частот меняется примерно на 10%, то поглощение - больше чем на порядок. В жидкостях, где также имеется дисперсия звука и аномальное, или сверхстоксово поглощение, такое различие в поведении с и а оказывается еще более существенным.

Здесь мы лишены возможности детально рассматривать весь огромный экспериментальный материал по измерению спав газах при различных частотах и отсылаем читателя к имеющейся литературе по этому вопросу [1-3].

Один из первых результатов по измерению скорости звука и поглощения на ультразвуковых частотах в жидкостях , в которых были зафиксированы дисперсия и аномальное поглощение, помимо упомянутой работы [10], содержится в статье [121. Была обнаружена дисперсия ультразвука в уксусной кислоте и аномальное сверхстоксово поглощение в таких органических жидкостях, как муравьиная кислота, бензол, толуол.

Для маловязких жидкостей диапазон частот акустических волн, в котором можно исследовать с и а, в настоящее время простирается до 10 Гц, т. е. в жидкостях мы можем прямыми акустическими методами изучать распространение гиперзвуковых волн. Для этого разработан целый ряд методов генерации высокочастотного ультразвука и гиперзвука. К числу таких методов принадлежит и так называемый метод Баранского [13], в котором используется возбуждение и прием упругих волн при помощи резонатора СВЧ колебаний (в резонатор помещают торцы пьезоэлектрического стержня). Применяются также тонкие пьезоэлектрические и иьезополупровод-никовые пленки [14, 15].

Разумеется, вследствие сильного поглощения звука даже в таких маловязких жидкостях, как вода, спирты и т. д., при обычных температурах частоты выше 10 Гц использовать уже трудно; измерения приходится проводить на очень малых расстояниях (порядка десятков-сотен микрометров) и работать с достаточно интенсивными волнами.

Очень плодотворным для исследования распространения гиперзвука оказался метод изучения тонкой структуры линии рэлеев-ского рассеяния света на дебаевских упругих волнах в жидкости. Этот метод сыграл большую роль в указанных исследованиях еще до того, как развились прямые акустические методы изучения распространения гиперзвука в жидкостях и твердых телах; он продолжает использоваться с применением лазеров и в настоящее время.

Л. И. Мандельштам [16] и независимо от него Л. Брюллюэн [17] предсказали, что на тепловых флуктуациях плотности в жидкости (полагая, что тепловое движение представляет собой суперпозицию упругих или дебаевских волн) должна наблюдаться тонкая структура рэлеевской линии рассеяния света; в нашей литературе этот эффект называют мандельштам-брюллюэновским рассеянием (МБР); подробнее об этом эффекте будет говориться в гл. 13.

Это рассеяние света на неоднородностях плотности в силу малости длин световых волн А, и малости скорости звука по сравнению