Влияние влажности на скорость звука в воздухе 

Влияние влажности на скорость звука в воздухе

Бабинцев В.А.

(1)Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, (2)Научный центр волновых исследований, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН,

Исследование влияния нелинейных механизмов на процесс распространения мощного акустического пучка во влажном воздухе и развития теплового механизма самофокусировки, предложенного в [1], требует полных данных о динамике зависимости скорости звука от двух параметров -температуры и влажности среды. К сожалению, для выбранного, согласно предварительным оценкам, частотного диапазона (10 - 20кГц) акустических колебаний отсутствуют, даже, данные о температурной зависимости скорости звука и ультразвука при различных начальных значениях влажности. Известны только данные в низкочастотном диапазоне. В широко известной работе [2] получена на двух частотах 503 и 293 Гц зависимость скорости звука в воздухе от влажности при фиксированной температуре 200С. Измерения проведены в сферическом резонаторе на частотах акустических колебаний, где затухание звука мало. В диапазоне значений относительной влажности от 0.3 до 1.0 зависимость скорости звука от влажности линейна, а при малых значениях влажности зарегистрировано уменьшение скорости, достигающее минимума при относительной влажности 0.14. В дальнейшем, этот результат широко обсуждался, например, в [3, 4].

Затухание звука килогерцового диапазона имеет колоколообразную зависимость от влажности, что, если учесть соотношение Крамерса-Кронинга, должно нарушать монотонное поведение скорости акустических колебаний с увеличением влажности воздуха.

Поэтому, вначале, были проведены измерения скорости распространения звука во влажном воздухе в сферическом резонаторе. К сожалению, удалось

получить только отдельные значения искомой зависимости в килогерцовом диапазоне акустических колебаний при малой влажности воздуха. При средних и больших значения влажности резко падала добротность использованного резонатора и, как следствие, точность и воспроизводимость получаемых данных.

По этой причине, был разработан и опробован фазовый метод [5], аналогичный широко распространенному двулучевому интерференционному методу фазовых измерений в оптике. Для повышения точности измерений и возможности получения абсолютных значений скорости звука, вместо второго акустического канала двулучевого интерферометра, дающего опорный сигнал, применена электрическая цепь. Необходимый опорный электрический сигнал непосредственно снимается с генератора, возбуждающего акустический преобразователь, и смешивается на нелинейном элементе с выходным электрическим сигналом акустического приемника. Градуированный фазовращатель в цепи опорного сигнала позволяет компенсационным методом измерять фазовый разбаланс интерферометра по нулевому методу и таким образом измерять скорость звука.

Установка состояла из акустического излучателя и микрофона, расположенными на оптической скамье. Сигнал с микрофона подается на вход резонансного усилителя для подавления нелинейных искажений в акустическом тракте. Смесителем акустического сигнала с опорным, прошедшим через градуированный фазовращатель, служил синхронный детектор. Измерение сдвига фаз в акустическом канале проводилось при нулевых показаниях выходного сигнала синхронного детектора.

Метод измерений реализован на частоте 10 кГц акустических колебаний в воздушной среде в равновесных условиях лабораторного помещения. Стабильность частоты контролировалась электронно-счетным цифровым частотомером и была не хуже 10-5 за все время проведения измерений. При постоянной температуре воздуха (250С) отслеживалась влажность воздуха. Длина

измерительного акустического канала составляла 61 см. Экспериментальная погрешность измеряемого фазового сдвига не превышала 20.

Рис. График зависимости относительного изменения скорости звука от влажности

при температуре 250С

На рис. представлена зависимость относительного изменения скорости (в процентах) звука в воздухе от его влажности. Среднее квадратичное отклонение полученных данных, аппроксимированных полиномом 5-ой, составляло 0.08%. Очевидна не монотонность измеренной зависимости, которая, по-видимому, обусловлена не монотонной зависимостью затухания акустической волны от влажности воздуха, на что указывают данные, полученные в [6]. Такой характер зависимости указывает на принципиальную возможность подбора начальных условий среды (температуры и влажности) для реализации теплового механизма самофокусировки звукового пучка во влажном воздухе. Дальнейшее уменьшение погрешности измерений метода возможно за счет увеличении базы акустического канала и совершенствования приемов регистрации фазового сдвига, например,

используя цифровые методы фазометрии. Эти мероприятия обещают уменьшение погрешности измерений примерно на порядок величины.

Таким образом, реализован акустический фазовый метод измерения скорости звука в воздухе, обладающий малой погрешностью не зависимо от повышения затухания звука с увеличением влажности. С другой стороны, он обладает высокой чувствительностью к малым примесям в газовой среде и перспективен для количественного анализа малых примесей. Данная работа поддержана грантом РФФИ 03-02-17056 Список литературы

1. Vinogradov E.A., Shipilov K.F. Evaluation of the thermal nonlinear self-action of the intensive acoustic beam in air. Thermal self-action //Physics of vibrations. 2002. V.10. №2. P.72-77.

2. Harris C.M. Effects of humidity on the velocity of sound in air. // J. Acoust. Soc. Am. 1971.V.49. №3. P.890-893.

3. Howell G.P., Morfey C.L. Speed of sound in air as a function of frequency an humidity.// J. Acoust. Soc. Am. 1980.V.65. №5. P.1525-1527.

4. Howell G.P., Morfey C.L. Frequency dependence of the speed of sound in air. // J. Acoust. Soc. Am. 1987.V.82. №1. P.375-376.

5. Бабинцев В. А., Виноградов Е.А., Шипилов К.Ф. Фазовый метод измерения скорости звука в воздухе. // Physics of vibrations. 2003.(to be published).

6. Evans E.J., Bazley E.N. The absorption of sound in air at audio frequencies. // Acustica. 1956. V.6. P.238-244.