Мен е рсія зв у ка, залежність фазової швидкості монохроматичних звукових хвиль від частоти. Д. з. є причиною зміни форми звукової хвилі (звукового імпульсу) при поширенні його в середовищі. Розрізняють Д. з., Обумовлену фізичними властивостями середовища, і Д. з., Обумовлену наявністю кордонів тіла, в якому звукова хвиля поширюється, і від властивостей тіла не залежну.
Д. з. першого типу може викликатися різними причинами. Найбільш важливі випадки Д. з., Пов'язаної з релаксаційним процесами (див. Нижче), що відбуваються в середовищі при проходженні звукової хвилі. Механізм виникнення релаксаційної Д. з. можна з'ясувати на прикладі багатоатомного газу. При поширенні звуку в газі молекули газу здійснюють поступальний рух. Якщо газ одноатомний, то жодних інших рухів, окрім поступальних, атоми газу здійснювати не можуть. Якщо ж газ багатоатомний, то при зіткненнях молекул між собою можуть виникати обертальні рухи молекул, а також коливальні рухи атомів, складових молекулу. При цьому частина енергії звукової хвилі витрачається на збудження цих коливальних і обертальних рухів. Перехід енергії від звукової хвилі (т. Е. Від поступального руху) до внутрішніх ступенях свободи (т. Е. До коливальних і обертальних рухів) відбувається не миттєво, а за деякий час, яке називається часом релаксації t. Це час визначається числом зіткнень, яке повинне відбутися між молекулами для перерозподілу енергії між усіма ступенями свободи. Якщо період звукової хвилі малий в порівнянні з t (високі частоти), то за період хвилі внутрішні міри свободи не встигнуть збудитися і перерозподіл енергії не встигне статися. У цьому випадку газ поводитиметься так, як ніби ніяких внутрішніх ступенів свободи зовсім немає. Якщо ж період звукової хвилі багато більше, ніж t (низькі частоти), то за період хвилі енергія поступальної ходи встигне перерозподілитися на внутрішні ступені свободи. При цьому енергія поступального руху буде менше, ніж у випадку, коли внутрішніх ступенів свободи не було б. Оскільки пружність газу визначається енергією, що припадає на поступальні рухи молекул, то, отже, пружність газу, а значить і швидкість звуку, також буде менше, ніж в разі високих частот. Іншими словами, в деякій області частот, близьких до частоти релаксації, рівної w р = 1 / t, швидкість звуку збільшується зі зростанням частоти, т. Е. Має місце так звана позитивна дисперсія. Якщо c0 - швидкість звуку при малих частотах (wt «1), а c ¥ - при дуже високих частотах (wt» 1), то швидкість звуку для довільної частоти описується формулою
Внаслідок незворотності процесів перерозподілу енергії в тій області частот, де має місце Д. з., Спостерігається підвищене поглинання звуку.
Релаксаційна Д. з. може бути не тільки в газах, а й в рідинах, де вона пов'язана з різними міжмолекулярними процесами, в розчинах електролітів, в сумішах, в яких під дією звуку можливі хімічні реакції між компонентами, в емульсіях, а також в деяких твердих тілах.
Величина Д. з. може бути дуже різною в різних речовинах. Так, наприклад, в вуглекислому газі величина дисперсії порядка 4%, в бензолі ~ 10%, в морській воді менше ніж 0,01%, а в сильно в'язких рідинах і в високополімерних з'єднаннях швидкість звуку може змінитися на 50%. Однак в більшості речовин Д. з. дуже мала величина і вимірювання її досить складні. Частотний діапазон, в якому має місце Д. з., Також різний для різних речовин. Так, в вуглекислому газі при нормальному тиску і температурі 18 ° С частота релаксації дорівнює 28 кГц, в морській воді 120 кГц. У таких з'єднаннях, як чотирихлористий вуглець, бензол, хлороформ і ін., Область релаксації потрапляє в область частот порядку 109-1010 гц, де звичайні ультразвукові методи вимірів не застосовні і Д. з. можна виміряти, тільки використовуючи оптичні методи.
До Д. з. 1-го ж типу, але не носить релаксаційного характеру, приводять теплопровідність і в'язкість середовища. Ці види Д. з. обумовлені обміном енергією між областями стиснень і розрідження в звуковій хвилі і особливо істотні для мікронеоднорідних середовищ. Д. з. може проявлятися також у середовищі з вкрапленнями неоднородностями (резонаторами), наприклад у воді, що містить бульбашки газу. В цьому випадку при частоті звуку, близькою до резонансної частоти бульбашок, частина енергії звукової хвилі йде на збудження коливань бульбашок, що призводить до Д. з. і до зростання поглинання звуку.
Другим типом Д. з. є «геометрична» дисперсія, обумовлена наявністю кордонів тіла або середовища поширення. Вона з'являється при поширенні хвиль в стрижнях, пластинах, в будь-яких волноводах акустичних . Дисперсія швидкості спостерігається для згинальних хвиль в тонких пластинах і стрижнях (товщина пластини або стрижня повинна бути значно меншою, ніж довжина хвилі). При згинанні тонкого стрижня пружність на вигин тим більше, чим менше згинається ділянку. При поширенні згинальної хвилі довжина згинаного ділянки визначається довжиною хвилі. Тому із зменшенням довжини хвилі (з підвищенням частоти) збільшується пружність, а отже, і швидкість поширення хвилі. Фазова швидкість такої хвилі пропорційна кореню квадратному з частоти, т. Е. Має місце позитивна дисперсія.
При поширенні звуку в хвилеводах звукове поле можна представити як суперпозицію нормальних хвиль, фазові швидкості яких для прямокутного хвилеводу з жорсткими стінками мають вигляд
де n - номер нормальної хвилі (n = 1, 2, 3, ...), з - швидкість звуку у вільному просторі, d - ширина хвилеводу. фазова швидкість нормальної хвилі завжди більше швидкості звуку у вільному середовищі і зменшується із зростанням частоти ( «негативна» дисперсія).
Д. з. обох типів приводить до розпливання форми імпульсу при його поширенні. Це особливо важливо для гідроакустики , атмосферної акустики і Геоакустика , Де мають справу з поширенням звуку на великі відстані.
Літ .: Бергман Л., Ультразвук і його застосування в науці і техніці, пер. з нім., 2 вид., М., 1957; Михайлов І. Г., Соловйов В. А. та сирники Ю. П., Основи молекулярної акустики, М., 1964; Фізична акустика, під ред. У. Мезона, пров. з англ., т. 2, ч. А, М., 1968; Фабелінський І. Л., Молекулярне розсіяння світла, М., 1965.
А. Л. Полякова.