Full resolution (JPEG) - On this page / på denna sida - Häfte 52. 30 dec. 1939 - Om ultraljud, av Ernst Fredlund
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
Below is the raw OCR text
from the above scanned image.
Do you see an error? Proofread the page now!
Här nedan syns maskintolkade texten från faksimilbilden ovan.
Ser du något fel? Korrekturläs sidan nu!
This page has never been proofread. / Denna sida har aldrig korrekturlästs.
Teknisk. Tidskrift
förelsevis enkel att utföra enligt någon av de nyss
skisserade metoderna, och man kan på detta sätt
alltså erhålla en bestämning av en serie
termodynamiskt viktiga storheter.
Den experimentella bestämningen av
ljudhastigheten i vätskor är speciellt viktig därför, att den icke
som vid gaserna låter beräkna sig ur lätt
tillgängliga data. Vid gaserna behöver man endast känna
molekylarvikt och Cv ty av molekylens egenskaper
är det sedan endast antalet frihetsgrader hos
molekylen och dessas besättning som ha inflytande på
ljudhastigheten. I vätskor däremot är
ljudhastigheten i högsta grad beroende på molekylens
egenskaper. På grund av det ringa avståndet mellan
molekylerna i en vätska står kompressibiliteten i
intimt sammanhang med de intermolekylära krafterna.
Bestämningen av. kompressibiliteten är alltså en väg
att få kännedom om dessa krafter. Då den direkta
piezometriska mätningen av kompressibiliteten är
mycket omständlig och kräver jämförelsevis stora
vätskemängder, så framgår härur betydelsen av
systematiska mätningar av ljudhastigheten i vätskor.
Det är naturligt, att mätningen av ljudhastigheten
i sådana vätskor, vilka endast äro tillgängliga i
mycket små kvantiteter, tilldragit sig ett speciellt
intresse. Jackson har bl. a. bestämt ljudhastigheten i
flytande syre och flytande väte, Hirschlaff i
flytande kväve och Burton i flytande helium. Även
mätningar på ljudhastigheten i tungt vatten av Bär äro
från denna synpunkt anmärkningsvärda.
Då ljudhastigheten i en vätska beror på de
intermolekylära krafterna, så bör man också vänta, att
förändringar i de intermolekylära krafterna måste
komma till uttryck i ljudhastigheten. Parthasarathy
har mätt ljudhastigheten i mer än 125 organiska
vätskor ocli därvid försökt klarlägga sambandet
mellan den kemiska konstitutionen och ljudhastigheten.
Han har härvid bl. a. funnit följande:
1) Aromatiska föreningar ha i allmänhet större
ljudhastighet än alifatiska.
2) Med växande längd på molekylen tilltager
ljudhastigheten.
3) Ersättes en atom av en tyngre erhålles en
sänkning av ljudhastigheten.
4) I allmänhet betyder införandet av en
dubbelbindning en sänkning av ljudhastigheten.
5) Molekyler, som ha elektriskt moment, visa i
allmänhet höga värden på ljudhastigheten.
För gaser övergår den nyssnämnda formeln på
ljudhastigheten i Laplace’s formel:
f RT
’ V*’ M
Som grund för denna formel ligger som bekant
antagandet, att ljudutbredningen är ett adiabatiskt
förlopp. Bl. a. Condon har på teoretisk väg visat, att
den Laplaceska formeln bör vara riktig även vid
mycket höga frekvenser, under förutsättning att
gasen är enatomig. Först vid frekvenser, där
ljudvåglängden börjar bli jämförbar med gasmolekylens fria
medelväglängd, börjar ljudutbredningen på att kunna
betraktas som en isoterm process i stället för en
adiabatisk, dvs. Newtons formel på ljudhastigheten
blir giltig. Beräkningen av Rocard har visat, att i
luft vid frekvenser på 5 X 108 Hz och högre Newtons
formel bör användas, varigenom man erhåller ett ca
20 % lägre värde på ljudhastigheten än normalt.
Någon experimentell bekräftelse härpå saknas.
Mätning av ljudhastigheten vid dylika högre frekvenser
torde f. ö. stöta på stora svårigheter med hänsyn till
den starka absorptionen.
Det framgår ur ovanstående, att man på teoretisk
väg möjligen kan vänta sig en sänkning av
ljudhastigheten vid de allra högsta frekvenserna, Det
resultat, som Pierce nådde 1925 vid akustiska
inter-ferometermätningar på koldioxid, varvid han visade,
att ljudhastigheten även vid jämförelsevis låga
frekvenser ökade, var därför mycket märkligt. Han
fann vid 42 kHz 258,8 m/s, vid 98 kHz 258,9 och vid
206 kHz 260,2 m/s. Förklaringen till Pierce’s
resultat är att söka i inre molekylära förlopp. Vid de
höga frekvenser det här är fråga om kommer utbytet
mellan translationsenergi och svängnings- resp.
rotationsenergi hos gasmolekylerna icke längre att
hinna följa förloppet, med andra ord de inre
frihetsgraderna i molekylen få inte tid nog att hinna
inställa sig efter de snabba adiabatiska
temperatur-ändringarna, Detta är liktydigt med ett avtagande
av det specifika värmet i det periodiska förloppet,
ty en viss energitillförsel kommer att ge en för hög
translationsenergi hos molekylerna, jämfört med den
inre energien.
Över förloppet vid en kropps kompression kan man
allmänt säga, att molekylerna närmast ta upp
translationsenergi, som därpå fördelar sig i ett bestämt
förhållande på de övriga frihetsgraderna. Man kan
alltså skilja mellan yttre energi Ea som direkt
upptages av molekylerna, och inre energi Et som därpå
ledes över till de övriga frihetsgraderna, Vid mycket
snabba kompressioner blir den tid, som åtgår för
uppdelningen, märkbar, och inga jämviktstillstånd
genomlöpas. Den totala energitillförseln AE kommer i
första hand Ea till godo. Ea växer över
jämviktsvärdet och sjunker därpå först långsamt ned mot
detta. Volymen uppvisar ett förlopp som svarar mot
förloppet hos totalenergien E, men trycket är i
huvudsak bestämt av de frihetsgrader, som verka mot
volymminskningen, dvs. genom Ea. Kroppen
utövar alltså ett starkare motstånd mot
volymminsk-ningen än normalt, den blir mindre koinpressibel ju
snabbare kompressionen äger rum. Detta får det
inflytandet på ljudet, att med växande frekvens
kompressibiliteten sjunker, dvs. ljudhastigheten ökar.
På grund av den termiska jämviktens ändliga
inställningstid måste vid en snabb kompression mera
arbete uträttas än vad som frigöres vid den
efterföljande dilatationen. Från ljudvågen undan dras
sålunda ständigt energi och denna energi omvandlas
h-reversibelt i värme, dvs. ljudet absorberas.
Absorptionen kan i vissa fall uppgå till flera 100 gånger
det på klassisk väg beräknade värdet. Vid
tillräckligt höga frekvenser kommer ingen energi längre att
överföras på de inre frihetsgraderna, den höga
ljudhastigheten blir åter oberoende av frekvensen och
absorptionen sjunker åter mot noll.
Efter de nyssnämnda allmänna betraktelserna är
den frekvens, som svarar mot maximal dispersion och
absorption, av samma storleksordning som
inverterade värdet av relaxationstiden för den termiska
jämvikten. Då enligt alla föreliggande erfarenheter
endast molekylernas svängningsenergi har en märk-
578
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
