امواج صوتی در مایعات (Sound Waves in Liquids)، در فیزیک (Physics)
انواع امواج (Wave)، در فیزیک (Physics) را در آموزش زیر شرح دادیم :
امواج صوتی در مایعات (Sound Waves in Liquids) :
امواج صوتی در مایعات فقط به صورت طولی (فشاری) منتشر می شوند، زیرا مایعات مدول برشی قابل توجهی ندارند و در برابر تغییر شکل برشی مقاومت نمی کنند. بنابراین، در مایعات خبری از امواج عرضی نیست. امواج صوتی در مایعات به صورت نواحی متناوب تراکم و انبساط منتشر می شوند. مولکول های مایع در جهت انتشار موج به جلو و عقب نوسان می کنند. سرعت صوت در مایعات بیشتر از گازها است زیرا مایعات تراکم پذیری کمتری دارند و مولکول ها به هم نزدیک ترند و برهم کنش قوی تری دارند.
سرعت صوت در مایعات از رابطه زیر به دست می آید:
\[ v = \sqrt{\frac{K}{\rho}} \]که
\[ K \]مدول حجمی (تراکم ناپذیری) مایع و
\[ \rho \]چگالی آن است. مدول حجمی معیاری از مقاومت مایع در برابر تغییر حجم است. هرچه مایع تراکم ناپذیرتر باشد (K بزرگتر)، سرعت صوت بیشتر است. برای مثال، آب با
\[ K \approx 2.2 \]GPa و
\[ \rho = 1000 \]kg/m³، سرعت صوت حدود ۱۴۸۰ متر بر ثانیه دارد. سرعت صوت در آب با افزایش دما (تا حدود ۷۴ درجه) افزایش و سپس کاهش می یابد. همچنین با افزایش شوری و فشار، سرعت افزایش می یابد.
مقایسه با گازها: سرعت صوت در مایعات معمولا ۳ تا ۵ برابر بیشتر از گازها است. برای مثال، سرعت صوت در هوا ۳۴۳ متر بر ثانیه و در آب ۱۴۸۰ متر بر ثانیه است. دلیل این تفاوت، مدول حجمی بسیار بزرگتر مایعات نسبت به گازهاست (مایعات تقریبا تراکم ناپذیرند). با این حال، چگالی مایعات نیز بسیار بیشتر از گازهاست، اما افزایش مدول حجمی بر افزایش چگالی غالب است و در نتیجه سرعت بیشتر می شود.
کاربردها: مهم ترین کاربرد امواج صوتی در مایعات، سونار (Sonar) است. سونار از امواج صوتی زیر آب برای ناوبری، ارتباطات، و تشخیص اشیاء (کشتی ها، زیردریایی ها، ماهی ها، عوارض بستر) استفاده می کند. در سونار فعال، یک پالس صوتی فرستاده شده و پژواک آن از اجسام دریافت می شود. در سونار غیرفعال، فقط به صدای تولید شده توسط اشیاء (مانند صدای پروانه کشتی) گوش داده می شود. سونار در علوم دریایی، ماهیگیری، و کاربردهای نظامی حیاتی است.
کاربرد دیگر در پزشکی: سونوگرافی (اولتراسوند) که پیشتر ذکر شد، در محیط های مایع بدن (بافت ها، خون، مایعات آمنیوتیک) انجام می شود. تفاوت در مقاومت صوتی (Acoustic Impedance) بین بافت های مختلف باعث بازتاب امواج و تشکیل تصویر می شود. سرعت صوت در بافت های نرم بدن نزدیک به سرعت صوت در آب است (حدود ۱۵۴۰ متر بر ثانیه). این مقدار در دستگاه های سونوگرافی کالیبره می شود.
در صنعت، از امواج صوتی در مایعات برای اندازه گیری سطح مایعات در مخازن (با اندازه گیری زمان بازگشت پژواک از سطح)، تشخیص نشت در خطوط لوله، و تعیین خواص مایعات (غلظت، دما، ترکیب) با اندازه گیری سرعت و تضعیف صوت استفاده می شود. همچنین پدیده کاویتاسیون (تشکیل حباب های ریز در اثر امواج صوتی پرقدرت) در تمیزکاری اولتراسونیک و فرآیندهای صنعتی کاربرد دارد.
