Лекция 1 Экологические аспекты альтернативных источников
advertisement
Лекция 1 Экологические аспекты альтернативных источников энергии 1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ» ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Область активной жизни, включающей в себя нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, называемой биосферой, представляет собой целостную, сложную, динамическую систему, в которой живые организмы и среда их обитания органически связаны друг с другом и взаимодействуют между собой. Термин «биосфера» введен Э. Зюссом в 1875 г., а учение о биосфере создано русским биохимиком В. И. Вернадским в 1926 г. В результате длительной эволюции пределы биосферы ограничены условными границами абиотических факторов [1, 2] существования живых организмов: • диапазон температур от –250 до +160 °С; • диапазон давлений от 10-3 до 3·103 атмосфер; • нижняя граница в воде – примерно на глубине 10 км; • нижняя граница в литосфере – на глубине до 2 км; • верхняя граница в атмосфере – до озонового слоя. Экологические системы (экосистемы), представляющие собой совокупность различных видов растений, животных и микроорганизмов, взаимодействующих между собой и с окружающей средой, являются, с другой стороны, функциональными подсистемами биосферы, которые могут сохраняться неопределенно долгое время при условии соответствующих биотических и абиотических факторов. Одним из условий устойчивого равновесия экосистем является относительное постоянство этих факторов или, по крайней мере, их изменение в пределах, не превышающих скорости адаптации живых организмов. Например, суточные, сезонные, многолетние колебания биотических и абиотических факторов не выходят за пределы лимитирующих, т.е. колебания температуры, давления, состава воздуха, сезонные изменения биомассы флоры и фауны и т.п. не выходят из границ, за которыми происходит нарушение нормальной жизнедеятельности квантов биосферы. Необратимые процессы в биосфере происходят в течение миллиона лет и живые организмы, обладая удивительным свойством приспособления к внешним условиям, успевают адаптироваться. Примером может служить качественное изменение состава атмосферы. В ней медленно накапливался кислород вследствие процессов фотосинтеза растений, которого до возникновения живых организмов в атмосфере почти не было. Другой характер имеют антропогенные [техногенные] изменения окружающей среды, которые порой приводят к резкому возмущению средних значений абиотических факторов, выходящих за пределы устойчивости существования и развития живого организма. Появление человека, как высшего разумного существа, оказало и оказывает все более возрастающее влияние на биосферу. Окружающая человека природная среда, как составная часть биосферы, является средой его обитания, производственной и хозяйственной деятельности. Наряду с глубоким диалектическим единством человека и природы, их взаимоотношения имеют противоречивый характер. С одной стороны, человек вышел из природы, пользуется ее ресурсами, с другой стороны, из-за своей бурной деятельности человек стал создавать свою собственную, отличную от естественной экосистему человека. Появление в биосфере новых компонентов, вызванных хозяйственной деятельностью человека, характеризуют термином антропогенное «загрязнение». Под этим термином понимают побочные отходы, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека (общества), которые, попадая в окружающую природную среду, изменяют или разрушают ее биотические и абиотические свойства. Загрязнения могут также влиять на энергетический баланс, физико-химические свойства, уровни радиоактивности и электромагнитного фона окружающей среды. Рассмотрим в качестве примера количество отходов, поступающих в биосферу за сутки от города с миллионным населением (рис. 1). Рис. 1. Схема поступающих в город А ресурсов В и промышленно-бытовых отходов С за сутки. Население города А – 1 млн. человек, размерность ресурсов и отходов даны в тоннах за сутки Из схемы, представленной на рис. 1, видны внушительные размеры отходов, загрязняющих атмосферу, гидросферу и литосферу. В настоящее время почти половина населения Земли живет в городах. Нетрудно представить какое гигантское количество промышленно-бытовых отходов поступает в окружающую среду. Одни только топливо-сжигающие установки выбрасывают в атмосферу за год более 200 млн. тонн оксида углерода, 50 млн. тонн углеводородов, 150 млн. тонн оксида серы, свыше 50 млн. тонн оксидов азота, 250 млн. тонн аэрозолей, 20 млрд. тонн углекислого газа, не говоря о других загрязнениях. В сфере техногенной деятельности в настоящее время участвуют все элементы таблицы Менделеева и многие синтетические соединения и материалы, которые несвойственны окружающей среде. Использование их чрезвычайно неэффективно и отрицательно влияет на круговорот элементов в биосфере. Напротив, биогеохимический цикл круговорота элементов, сложившийся за миллионы лет в биосфере, позволял эффективно использовать небольшую часть элементов, необходимых для поддержания органической жизни. Только небольшая часть вещества терялась в круговороте. В результате же техногенной деятельности существенно нарушается естественное необходимыми предметами соотношение элементов в биосфере. Для обеспечения одного человека жизнедеятельности используется ежегодно 20 тонн природных ресурсов Земли, из них 98% бесполезно превращаются в отходы, которые рассеиваются в биосфере, загрязняя ее и нарушая эволюционно сложившиеся биогеохимические циклы. Выбрасываемые в атмосферу, гидросферу и почву «загрязнения», попадают в растения и живые организмы, оказывая на них вредное воздействие и накапливаясь в них. При этом человек подвергается не только непосредственно воздействию «загрязнений», но и становится потребителем загрязненных растений и животных. Это приводит к увеличению числа людей, страдающих различными болезнями (аллергией, астмой, ишемией, раком). Особенно велика заболеваемость людей в городах, где экологический кризис ощущается острее. 2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Выбрасываемые техногенные «загрязнения» и вредные воздействия можно разделить на четыре большие группы: физические, химические, биологические и эстетический вред. К физическим загрязнениям относятся шум, вибрация, электромагнитные поля, ионизирующее излучение радиоактивных веществ, тепловое излучение, ультрафиолетовое и видимое излучения возникающие в результате антропогенной деятельности. В технической литературе эта группа чаще называется энергетическими загрязнениями. К химической группе загрязнений относят не только различные химические элементы и вещества, но и те соединения, которые образуются при взаимодействии поступающих выбросов с биотическими и абиотическими факторами биосферы. Это особенно опасно, так как довольно сложно предугадать скорость и характер химических взаимодействий, в результате которых конечный продукт может оказаться еще более токсичным, чем исходный выбрасываемый в биосферу химический «загрязнитель». К числу последних можно отнести фтористые соединения и другие галогены, тяжелые металлы, углеводороды, пластмассы, пестициды, различные органические соединения, моющие средства, производные серы, азота и т. п. Интенсивное применение ядохимикатов, распыляемых авиацией, привело к широкому загрязнению окружающей среды. Даже в Антарктиде, за десятки тысяч километров от зон применения накопилось более 2000 т ДДТ. Безусловно, эти вредные вещества оказывают воздействие на все составные части биосферы. К биологическим загрязнениям можно отнести микробиологическое отравление, изменение структуры биоценозов. Эстетический вред проявляется в нарушении пейзажей за счет все нарастающей урбанизации, строительства промышленных объектов на территории природных заповедников и т. п. 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Любое промышленное предприятие является источником техногенных загрязнений. На рис. 2 представлена схема взаимодействия промышленного предприятия с окружающей природной средой, которая в общем виде отражает ресурсы, поступающие на производство и образованные в процессе производственной деятельности предприятия отходы различных видов. Большую долю загрязнений занимают энергетические выбросы. По своей природе энергетические загрязнения условно можно разделить на три группы (рис. 3): механическую, электростатическую (магнитостатическую) и электромагнитную. К первой группе относятся энергетические загрязнения, представляющие собой колебательно-волновое движение частиц упругой среды газовой, жидкой, твердой фаз: различные шумы, вибрации, инфразвук, ультразвук. Ко второй и третьей группам относятся техногенные загрязнения, представляющие собой постоянные и переменные электромагнитные поля различных длин волн, от промышленной частоты до электромагнитных колебаний очень высокой частоты, вплоть до рентгеновского и у-диапазонов. В свою очередь, в каждой из этих групп в зависимости от различных свойств техногенных энергетических загрязнений может быть применена классификация по другим признакам. Рис. 2. Схема взаимодействия промышленного предприятия с окружающей природной средой В настоящее время интенсивно развивается космическая техника и связанное с нею освоение околоземного космического пространства. Это направление в науке и технике является весьма актуальным и перспективным. Уже сейчас трудно представить современное общество без глобальной спутниковой связи и телевидения, глобального мониторинга атмосферы, разведки недр, наблюдения с помощью спутников за ледяным покровом, состоянием Мирового океана, морей, озер, рек, лесов, всей земной поверхности и т. д. Рис. 3. Классификация энергетических загрязнений Выход человека в космос, проводимые космические исследования, создание орбитальных станций как обитаемых, так и автоматических, все увеличивающийся поток запускаемых спутников разных назначений является необходимым и необратимым процессом научно-технического прогресса. Однако вместе с этим возникает и проблема загрязнения околоземного пространства. Сейчас можно говорить о космической экологии. Запуск космических аппаратов неизбежно связан с загрязнением атмосферы из-за процессов сгорания топлива. Продукты отходов возникают в результате деятельности орбитальных станций. При переходе космических аппаратов с одной орбиты на другую необходимо включение ракетных двигателей с последующим выбросом в космос продуктов сгорания. Отработанные ступени ракет либо сгорают в атмосфере, либо падают на земную поверхность в виде твердых отходов. Отработавшие свой ресурс космические аппараты становятся балластом в космосе и представляют определенную опасность для действующих орбитальных станций. Некоторые из отработанных конструкций космических аппаратов со временем снижают свою траекторию, входят в плотные слои атмосферы и сгорают в ней, создавая при этом значительное количество вредных примесей в виде газов, оксидов металлов, аэрозолей. Воздействие космических аппаратов на окружающую среду сопровождается и физическими загрязнениями, возникающими с момента старта (шум, вибрация, тепловое загрязнение и т. д.), при работе на орбите (повышенный фон электромагнитных полей, действие невесомости) и до момента посадки. Подробное рассмотрение техногенных энергетических (физических) загрязнений, а также методов защиты от физических загрязнений представлено в следующих лекциях. Лекция 2 Шумы 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗВУКЕ Под звуком понимаются волнообразно распространяющиеся колебания частиц упругой среды – твердого тела, жидкости, газа. Различают биологическое и физическое понятия звука. К биологическому понятию звука относят колебания и волны, которые воспринимаются человеческом органом слуха. Ощущение звука проявляется только в том случае, когда частота колебаний и их интенсивность лежат в определенных пределах. Для человеческого уха спектр слышимых звуковых колебаний лежит в диапазоне от 15 – 20 Гц до 20 кГц, если не принимать во внимание индивидуальные способности и возрастные ограничения. Физическое понятие о звуке объединяет как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред (условно от 0 до 1013 Гц). Колебания с частотами ниже 20 Гц называются инфразвуком. Нижний предел частот инфразвука не ограничен. В окружающей нас природной среде встречаются инфразвуковые колебания с частотами в тысячные доли Гц. Изучение диапазона инфразвуковых волн представляет значительный интерес. Примером могут служить сейсмические волны, возникающие в земной коре. По характеру их распространения можно изучать строение земной коры и производить разведку полезных ископаемых. Характерным примером инфразвуковых волн является открытый академиком В. В. Шулейкиным эффект, названный «голосом моря». При обдувании штормовым ветром морских волн вдали от берега возникают инфразвуковые колебания с частотой от десятых долей до нескольких герц. Распространяясь до берега со значительно большими скоростями, чем скорость штормового ветра, эти приближающегося шторма. инфразвуковые колебания служат сигналом Колебания упругих сред с частотами более 20 кГц называют ультразвуком, который тоже не вызывает слуховых ощущений. Ультразвук широко применяется в современной технологии (дефектоскопии, ультразвуковой технологии обработки материалов и т.п.), медицине (диагностике, хирургии и т.п.), радиотехнике и многих других областях науки и техники. В диапазоне частот 109 – 1013 Гц находятся колебания упругих сред, называемых гиперзвуком. Верхняя граница гиперзвуковых волн имеет ограничение по принципиальным соображениям ввиду атомно-молекулярного строения сред. Длина волны упругих колебаний в газах должна быть больше длины волны свободного пробега молекул. Длина волны упругих колебаний в твердых телах и в жидкостях должна быть больше удвоенного межатомного или межмолекулярного расстояния. Поэтому верхний предел частот гиперзвука в газах ограничен частотой 109 Гц, а в твердых телах и жидкости – 1012–1013 Гц. Гиперзвуковые колебания в кристаллах иногда рассматривают с позиций корпускулярной теории, уподобляя их квазичастицам, называемых фононами. Спектральная чувствительность человеческого уха. В диапазоне частот ~ 1 – 4 кГц человеческое ухо обладает наибольшей чувствительностью (сила звука J0– 10-12 Вт/м2), а болевое ощущение возникает при силе звука J более 1 Вт/м2 (рис. 1, кривая 1). Таким образом, человеческое ухо представляет собой совершенный приемник широкополостностью динамическим звуковых (fmax/fmin ≥ диапазоном. 103)» Кроме колебаний, чувствительностью того, слуховой обладающий и большим аппарат обладает малоинерционностью (примерно 0,1 с). В любой момент времени человеческое ухо готово к регистрации звукового сигнала. Из сложного спектра слуховой аппарат способен выбирать звуки нужной тональности и определять со значительной точностью направление распространения звука (местоположение звукового источника). Во внутреннем ухе находится ушная улитка спиральной формы, которая наполнена жидкостью и механически связана с барабанной перепонкой. Рис. 1. Спектральная чувствительность человеческого уха: 1 – порог болевого ощущения; 2 – порог слышимости (I0= 10-12 Вт/м2); А – слышимый диапазон; I' – 1 Вт/м2 болевой порог (обозначения на осях координат проставлены без соблюдения масштаба) В ушной улитке имеется основная перепонка, реагирующая на тон звука. Один конец основной перепонки, находящийся вблизи барабанной перепонки, резонирует на частоте 20 кГц, а другой конец основной перепонки резонирует на частоте 20 Гц. В ушной улитке имеется нерв, который из-за своих чувствительных окончаний в основной перепонке преобразует механические колебания в биоэлектрические сигналы и посылает их в соответствующий центр мозга, где они воспринимаются нами как звуковые ощущения. Информация об относительных фазах одного и того же звукового сигнала человеческим ухом не воспринимается. По-видимому, в процессе эволюционного развития мозг не фиксировал сигналы, несущие информацию о фазе звукового сигнала. С помощью слухового аппарата человек получает до 10% информации. Звуковые колебания и волны – их возникновение, распространение и взаимодействие с веществом – изучаются специальным разделом физики – акустикой, являющейся учением о звуке. Многие разделы физики и различные технические приложения связаны с колебательными процессами, которые весьма разнообразны по своей физической природе, характеру и форме повторяемости, частоте изменений и механизму возникновения. Механические колебания плотности и давления, например, воздуха при распространении в нем упругих акустических волн, электромеханические колебания мембраны телефона, магнитострикционного или пьезоэлектрического излучателя ультразвука являются частными случаями изучаемых в разделе физики колебаний и волн. Колебательным и волновым процессам присущи некоторые характерные закономерности, общие для колебаний различной физической природы. Это явилось причиной возникновения теории колебаний, изучающей общие закономерности колебательных процессов. Основным математическим аппаратом теории колебаний являются дифференциальные уравнения. Выдающуюся роль в учении о колебаниях и связанных с ними важных технических приложениях сыграли российские ученые И. А. Вышнеградский, Н. А. Умов, Б. Б. Голицын, П. Н. Лебедев, А. Н. Крылов, Н. Е. Жуковский, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, Н. Н. Боголюбов, А. А. Андронов, А. Н. Колмогоров, Р. В. Хохлов, А. М. Прохоров и др. На рис. 2 представлены различные виды колебаний, имеющие механическую, электрическую или другую природу (уплотнение газа, электрическое напряжение или ток, деформация твердого тела и т. п.). В общем случае периодическое колебание (рис. 2, 1) повторяется через одинаковые промежутки времени (период 7) бесконечное число раз и может быть выражено в виде: s(t+T)=s(t), (-∞ <t<∞) (1) Рис. 2. Различные виды колебаний: 1 – периодическое, произвольной формы; 2 – прямоугольное; 3 – пилообразное; 4 – синусоидальное; 5 – затухающее; 6 – возрастающее; 7 – амплитудно-модулированное; 8 – частотно- модулированное; 9 – колебание, модулированное по амплитуде и фазе; 10 – случайное колебание по амплитуде и фазе; 11 – беспорядочное колебание (акустический, электрический шум) Число колебаний в единицу времени характеризуется частотой f=1/T, которая измеряв, в герцах (один цикл а секунду равен одному герцу). Периодическое колебание может быть прямоугольное (рис. 2, кривая 2), пилообразное (рис. 2, кривая 5), синусоидальное (рис. 2, кривая 4) и т. д. В случае синусоидальных колебаний величину s можно выразить в виде гармонической функции: s(t) = A cos (ωt-φ), (2) где А, ω, φ – соответственно амплитуда, круговая частота и фаза. Амплитуда определяет максимальное значение s(t). Круговая (циклическая) частота ω равна: ω = 2π/Т = 2πf. (3) Величина (ωt–φ) называется фазой колебания, а величина φ – начальной фазой (или просто фазой). Колебание, модулированное по амплитуде (рис. 2, кривая 7), можно выразить формулой: s ( t ) = A (t) cos (ωt– φ), а в случае модуляций еще и по фазе (рис. 2, кривая 9): s(t)=A(t)cos[ωt-φ(t)]. (4) При затухающем колебании (рис. 2, кривая 5) величина s(t) имеет вид: s(t)=A0e-aet cos (ωt – φ), (5) где аe > 0 – коэффициент затухания. В случае нарастающего колебания величину s(t) тоже можно выразить формулой (5), но при этом aе < 0. В природе и в технике не существует строго периодических (гармонических, монохроматических) колебаний, однако с достаточным приближением большое число явлений можно описывать набором гармонических функций. Таким образом, теорию волнового движения можно рассматривать как феноменологическую теорию, которую с незначительными изменениями можно применить к широкому кругу звуковых, световых, электрических явлений. Теория волнового движения включает в себя следующие положения: некоторая величина имеет в каждой точке пространства определенное значение для каждого момента времени; значение этой величины испытывает периодическое изменение; область возмущения непрерывно перемещается из одного места в другое. Большое значение в развитии теории звука и волновых процессов сыграл метод Фурье, колебательные позволяющий анализировать процессы использованием с и синтезировать простых сложные гармонических составляющих. С развитием радиотехники и радиовещания акустика получила бурное развитие. Возникла практическая необходимость преобразования электромагнитных колебаний в акустические и обратно. Изучение процессов распространения звуковых волн в естественной среде (атмосфере, гидросфере, литосфере) позволило создать различные направления в акустике – атмосферная акустика, гидроакустика, геоакустика. В связи с развитием различных технических приложений были созданы гидролокация, электроакустика, архитектурная, музыкальная, строительная акустика, аэроакустика и т.д. Источником звука являются тела или системы тел, движения которых относительно окружающей среды нарушают ее равновесное состояние. Источники звука можно разделить на следующие основные типы, не претендуя на исчерпывающую классификацию: — колебательные или автоколебательные системы, в которых под действием локального источника энергии возникают либо собственные затухающие колебания, либо незатухающие автоколебания (все музыкальные инструменты, человеческий голос, паровые и пневматические свистки и т. п.); — вращательные системы, в которых периодические изменения давления и скорости среды вызываются от вращающихся тел (винт самолета или корабля; ротор электромеханического устройства; турбины; сирены, создающие звук в результате периодических изменений скорости газовой струи и т. п.); — электроакустические преобразователи (телефоны, громкоговорители, эталонные источники звука – термофоны и т. п.). Голосовой аппарат человека является сложной автоколебательной системой, включающей в себя легкие, бронхи, трахею, гортань с голосовыми связками, совокупность резонаторов (глотка, носоглотка, рот, нос). Уникальными голосовыми данными обладают великие мастера оперной сцены. Таким образом, источниками звука могут быть разнообразные процессы, явления, вызывающие возмущение упругой среды относительно среднего равновесного состояния. Объективные акустические характеристики. Для описания коле- бательных процессов упругой среды в акустике приняты следующие объективные характеристики [11] и понятия. В случае периодических колебаний скорость распространения звука v в упругой среде связана с длиной волны X, частотой / и периодом Т соотношением: v=λf=λ/T. (6) В области акустики применяется, в основном, система СИ. Звуковая энергия Езв состоит из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации. Плотность звуковой энергии εзв определяет звуковую энергию, отнесенную к единице объема упругой среды. Поток звуковой энергии (звуковая мощность) Wзв, определяет энергию, переносимую в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения. Звуковое давление p в упругой среде при наличии звуковых колебаний складывается из давления в невозмущенной среде и переменного дополнительного давления, возникающего в каждой точке среды в данный момент времени. При этом звуковое давление в течение периода колебаний изменяет свою величину и знак между положительными и отрицательными амплитудными значениями. Объемная скорость υ0 определяется как произведение колебательной скорости и площади, которую за единицу времени пересекают все частицы из объема υS, т. е. υ0= υ S . Размерность υ0 измеряется в м3/с, см3/с. Интенсивность звука (сила звука) J определяется средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны: J=Eзв /(tS). (7) Сила звука является одной из основных энергетических характеристик. Общие законы движения энергии в упругих средах впервые были изучены в 1874 г. русским физиком Н. А. Умовым в его докторской диссертации «Уравнение движения энергии в телах». Вектор Умова определяет по величине и по направлению величину потока энергии. В случае распространения звуковых волн в упругой среде вектор Умова определяется произведением объемной плотности колебательной энергии на скорость ее движения. Среднее значение по времени вектора Умова определяется силой звука. В случае плоской синусоидальной волны малой амплитуды в неподвижной и изотропной среде интенсивность (сила) звука J связана с максимальными по времени амплитудами звукового давления р и колебательной скорости v соотношением: (8) где ρ – плотность среды. Мгновенное значение скорости v в случае волн в газовой и жидкой средах определяется соотношением υ = p/ρυ (9) Субъективное восприятие звука. Чувствительность человеческого уха различна к звукам разных частот. Поэтому восприятие звука хотя и зависит от интенсивности, но эта зависимость имеет сложный характер и не является однозначной. Слуховой аппарат человека реагирует на высоту звука, его интенсивность, тембр, который зависит от относительной интенсивности дополнительных колебаний более высокого порядка, чем основная частота, определяющая высоту звука. Субъективное восприятие звука определяется величинами, сопоставимыми в той или иной степени с объективными акустическими характеристиками, рассмотренными выше. Качественная характеристика звука определяется его частотой. Основным интервалом в музыке и технической акустике является октава. Величина этого интервала определяется граничными частотами, отношение которых равно двум. Разные звуки воспринимаются человеческим ухом как равноотстоящие по высоте, если отношения их частот равны. На рис. 3 представлено семейство кривых, нижняя из которых представляет собой порог слышимости, а верхняя кривая соответствует порогу болевого ощущения. Оси координат даны в логарифмическом масштабе. Каждой кривой соответствует одинаковая громкость воспринимаемых звуков разных частот. Иными словами, звукам одинаковой громкости разных частот соответствуют разные уровни интенсивности. Кроме того, кривые на рис. 3 построены таким Рис. 3. Семейство кривых одинаковой громкости, отстоящих друг от друга на 10 Дб при частоте 1000 Гц: нижняя кривая – порог слышимости; верхняя кривая – порог болевого ощущения образом, что при частоте 1000 Гц они сдвинуты друг относительно друга на 10 дБ. Для характеристики уровня громкости иногда пользуются специальной единицей – фон. Эта единица определяется как разность уровней громкости двух звуков данной частоты, равногромкие которым звуки с частотой 1000 Гц отличаются по интенсивности на 10 дБ. Предел слышимости принимается за нулевой уровень. Скорость звука в средах. В газе и жидкости звуковые волны являются продольными, потому что эти среды обладают только объемной упругостью. Скорость звука в этих средах не зависит от частоты в слышимом и инфразвуковом диапазонах. В многоатомных газах и жидкостях со сложным строением молекул зависимость скорости звука от частоты (дисперсия звука) наблюдается в области достаточно высоких ультразвуковых частот. Твердые тела помимо объемной упругости обладают упругостью формы, поэтому в твердых телах распространяются как продольные, так и поперечные волны. Волновые фронты распространения в твердых телах зависят от свойств вещества, формы тела, направления. В случае малых амплитуд колебаний скорость звука в газах определяется уравнением Лапласа: (10) где р – давление невозмущенного газа; γ – отношение теплоемкостей при постоянных давлении и объеме; М – молекулярная масса; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура; ρ – плотность среды. Для жидких сред звуковая скорость имеет вид: , (11) где К – адиабатический модуль объемного сжатия; βад – адиабатическая сжимаемость; βиз = γβад – изотермическая сжимаемость. В неограниченной твердой среде скорости продольных υ1 и поперечных υ2 колебаний имеют значения: (12) где М ю – модуль Юнга; k – коэффициент Пуассона; μ – модуль сдвига. Модуль Юнга часто называют модулем растяжения. Для стержня, длина которого намного больше его диаметра, звуковая скорость продольных волн равна . Упругая волна представляет собой две независимо распространяющиеся волны. В продольной волне смещение в среде совпадает с направлением распространения колебаний со скоростью υ1. В поперечной волне смещение перпендикулярно к направлению распространения звука. Скорость распространения продольных волн всегда больше скорости поперечных волн (13) Поскольку коэффициент Пуассона меняется в диапазоне 0 < k < 0,5, то соотношение (13) можно усилить: (14) Скорость звука в газах при 0°С и давлении, равном одной атмосфере, и жидкостях представлена в табл. 1. Таблица 1 Скорость звука в газах и жидкостях Газ Азот Кислород Гелий Водород Воздух Аммиак Метан Ударная Скорость звука, м/с 334 316 965 1284 331 415 430 волна представляет собой Жидкость Вода Спирт этиловый Бензол Тетрахлорид углерода Глицерин Ртуть скачок Скорость звука, м/с 1490 1180 1324 920 1923 1453 уплотнения вещества, распространяющегося со сверхзвуковой скоростью и является тонкой переходной областью в среде, где происходит резкое увеличение плотности, давления, скорости вещества. Ударные волны возникают при взрывах, мощных электрических разрядах, сверхзвуковом движении тел и т.д. Распространение ударной волны, вызванной взрывом или другим процессом, сопровождается звуковыми колебаниями большой амплитуды. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущенного, называется фронтом ударной волны. На рис. 4 представлены распределения температуры Т и плотности ρ в ударной волне, фронт которой распространяется со скоростью υв. Толщина фронта ударной волны соответствует длине свободного пробега молекул. На практике этой величиной пренебрегают и с достаточной точностью заменяют фронт ударной волны поверхностью разрыва. При этом считают, что при прохождении газа через поверхность разрыва параметры газа меняются скачком (понятие «скачка уплотнения»). Рис. 4. Распределение T, ρ в ударной волне, распространяющейся в воздухе В реальных газах при достаточно высоких температурах происходят диссоциация молекул, возбуждение колебательно-вращательных энергетических уровней молекул, ионизация, различные химические реакции и т. д. Эти процессы сопровождаются изменением числа частиц в газе, затратами энергии ударной волны. В этом случае внутренняя энергия зависит от параметров газа, давления и плотности, вещества в ударной волне и часто аналитически очень трудно поддается расчету. Одним из распространенных источников создания ударной волны является взрыв, который представляет собой процесс быстрого выделения энергии в определенном объеме с последующим разрушением окружающей среды. При выделении, например, сравнительно небольшого количества теплоты, примерно 4·103 кДж/кг, в продуктах взрыва достигаются температуры, равные 4·103 К, за счет очень короткого времени химического превращения (примерно 10-5с). Поэтому мощность при взрывах достигает больших значений. Давление и скорость распространения взрывной волны при этом достигают соответственно значений 1010 Па и 2 – 5 км/с. Взрыв и ударная волна сопровождаются интенсивными звуковыми колебаниями, механическим движением тел, электромагнитными излучениями и другими видами энергий. Зона действия ударной волны является зоной повышенного риска и часто приводит к контузиям, необратимым нарушениям слухового аппарата, увечьям, ожогам. Распространение звуковых волн. При распространении звуковых колебаний в сплошной среде возникает звуковое поле, которое можно рассматривать как совокупность пространственно-временных распределений звукового давления р, колебательной скорости υ частиц, относительного сжатия δρ/ρ (ρ – плотность), адиабатического изменения температуры δT и т. п. При отсутствии скачков р, υ дисперсии звука и в случае непрерывности среды выражение для звукового давления можно описать в общем виде волновым уравнением: (15) При распространении звуковых волн любых частот наблюдаются явления дифракции и интерференции, имеющих место при распространении всех типов волн. Когда размер неоднородностей и препятствий в среде распространения значительно превосходит длину волны звука, наблюдаются явления преломления и отражения звуковой волны. По мере распространения звуковая волна затухает. Как любой волновой процесс в неограниченной среде энергия звуковой волны распределяется по поверхности, возрастающей с квадратом расстояния. Далее, в результате распространения звуковой волны часть ее энергии превращается в тепловую энергию частиц среды за счет вязкости и теплопроводности. Значительно большее поглощение энергии звуковой волны происходит в случае молекулярного поглощения, когда часть звуковой энергии переходит в энергию внутримолекулярного движения. Кроме того, экстинкция (ослабление) звуковой волны может происходить при наличии неоднородности среды (турбулентность, наличие пузырьков воздуха в жидкости, капелек жидкости в газах и т. п.) за счет процессов рассеяния, поглощения и т. д. При распространении звуковых колебаний большой интенсивности имеют место различные нелинейные процессы дополнительного поглощения из-за взаимодействия звукового поля с веществом. При учете реальных условий распространения звуковой волны в ряде случаев не представляется возможным строго описать и количественно оценить затухание звуковых колебаний из-за сложных взаимодействий звукового поля с упругой средой. В этом случае для оценки величины сигнала в точке приема или измерения пользуются приближенными методами. В общем виде зависимость силы звука от расстояния в изотропной неограниченной жидкой или газообразной среде можно выразить соотношением: (16) где J0 – сила звука на расстоянии r = 1; aе – величина, определяющая расстояние (re=1/ае), на котором происходит уменьшение силы звука J в е раз (е ≈ 2,72). В соответствии с классической теорией Стокса: (17) где k – коэффициент теплопроводности; ζ– вязкость (остальные обозначения соответствуют ранее принятым). В случае ультразвуковых волн необходимо пользоваться релаксационной теорией, учитывающей дисперсию звука и молекулярное поглощение. Изучение вопросов распространения звука в различных средах имеет большое практическое значение для самых различных приложений: изучение параметров турбулентных флуктуаций в атмосфере с использованием сверхмощных низкочастотных звуковых локаторов (содаров); сверхдальняя (до 5000 км) гидролокация; звуковая разведка, ультразвуковая технология, атмосферная и строительная акустика и т. д.
