Ультразвук, характеристики.

[ViktorArs]

Добрый день.
Прошу прощения, я не физик, всего лишь инженер, и ориентироваться на форуме сложновато.
Интересуют 2 вопроса.
1. Где (справочник итд итп) можно посмотреть зависимость скорости ультразвука в воздухе от температуры и вероятно влажности. Вообще, интересует зависимость скорости ультразвука от температуры не в воздухе а в водяном паре. (но вероятно такого нет, поэтому добавил влажность, хотя как измерить влажность (насыщенность) пара, тоже ума не приложу).
2. Также где (справочник итд итп) можно посмотреть значения затухания ультразвука в различных средах (в первую очередь интересуют воздух, пар и различные газы).

Любая информация полезна.
Спасибо.

[Pphantom]

Давайте-ка более конкретно параметры "ультразвука". Иначе в общем случае он ничем от обычного звука не отличается.

[ViktorArs]

Да, вполне вероятно наверно не отличается. Даже скорее всего.
УЗ излучается пьезоизлучателем MA40S4S. 40 кГц. Амплитуда управляющего напряжения 18 В.
Какие еще параметры нужны?

[realeugene]

ViktorArs в сообщении #1282821 писал(а):

40 кГц.

Длина волны порядка сантиметра. До длины свободного пробега молекул ещё очень далеко, пыль всё ещё мала по сравнению с длиной волны. В воздухе без крупных капель или снежинок не вижу причин возникновения каких-либо новых эффектов на этой частоте.

При указанной амплитуде питающего напряжения давление в звуковой волне в непосредственной близости от излучателя будет единицы килопаскаль, т. е. единицы процентов от атмосферного давления. Сможете, как инженер, его оценить самостоятельно?

В отверстиях корпуса излучателя наверное больше. Рискну предположить, что ограничение излучаемой мощности связано с тем, что давление в звуковой волне в излучателе начинает составлять значительную долю от атмосферного давления. В любом случае, на небольшом удалении от излучателя давление звуковой волны падает до уровня, когда можно пренебрегать любыми нелинейностями.

[EUgeneUS]

Популярный обзор по теме. Больше по второму вопросу

[ViktorArs]

Всем спасибо за отклик.

realeugene в сообщении #1282823 писал(а):

Длина волны порядка сантиметра. До длины свободного пробега молекул ещё очень далеко, пыль всё ещё мала по сравнению с длиной волны. В воздухе без крупных капель или снежинок не вижу причин возникновения каких-либо новых эффектов на этой частоте.

Пардон, новых эффектов? Хотел уточнить: по сравнению с эффектами возникающими в горячем сухом газе? Т.е. в расчетах можно брать параметры сухого газа?
Под паром я подразумеваю пар от кипящей жидкости. Размеры капель такого пара также малы?
К слову, для большего понимания мною данного процесса:
Пример из жизни: кастрюля, кипит вода. Какая примерно влажность воздуха над кипящей водой. (ну например на расстоянии примерно 10 см? Или меньшем расстоянии, просто не знаю, может на таком расстоянии уже и влияния нет.)

realeugene в сообщении #1282823 писал(а):

При указанной амплитуде питающего напряжения давление в звуковой волне в непосредственной близости от излучателя будет единицы килопаскаль, т. е. единицы процентов от атмосферного давления. Сможете, как инженер, его оценить самостоятельно?

Если "оценить" имеется ввиду какой-то теоретический расчет, то может и можно покопаться в даташите. Хотя даташиты весьма скудные.
Если "оценить" имеется ввиду измерить, то вряд ли. Даже если такие приборы существуют, то у меня их точно нет.

realeugene в сообщении #1282823 писал(а):

В отверстиях корпуса излучателя наверное больше. Рискну предположить, что ограничение излучаемой мощности связано с тем, что давление в звуковой волне в излучателе начинает составлять значительную долю от атмосферного давления. В любом случае, на небольшом удалении от излучателя давление звуковой волны падает до уровня, когда можно пренебрегать любыми нелинейностями.

Расстояния у меня примерно 5 см и более.

EUgeneUS в сообщении #1282830 писал(а):

Популярный обзор
по теме. Больше по второму вопросу

Спасибо!

[DimaM]

ViktorArs в сообщении #1282870 писал(а):

Под паром я подразумеваю пар от кипящей жидкости. Размеры капель такого пара также малы?

Если капли, то это уже туман (его частенько неверно называют "паром"). В чистом паре капель нет.
В пересыщенном паре ультразвук может вызывать конденсацию. На уровне распространения это, видимо, даст дисперсию и искажение формы волны.

[EUgeneUS]

ViktorArs в сообщении #1282870 писал(а):

Пардон, новых эффектов? Хотел уточнить: по сравнению с эффектами возникающими в горячем сухом газе? Т.е. в расчетах можно брать параметры сухого газа?

ИМХО, имеются в виду новые эффекты по сравнению с эффектами в идеальном газе.
Вот тут есть раздел "Расчет скорости звука".
Из формул видно, что скорость звука в газе зависит от
а) показателя адиабаты
б) молярной массы
Но воздух это смесь газов. Сухой воздух - смесь двухатомных газов с небольшой примесью одноатомного (аргона). Во влажном воздухе появляется примесь воды - трехатомного газа. Как подсказывает википедия, в таких случаях:

Цитата:

Для расчета сжимаемости многокомпонентной смеси, состоящей из невзаимодействующих друг с другом жидкостей и/или газов, применяется уравнение Вуда

.

Какие эффекты еще могут возникать:
1. Конденсация в перенасыщенном паре (имхо, будет возникать не только в перенасыщенном, но и в насыщенном). О чем написал уважаемый DimaM

2. Затухание волны за счет поглощения как в воздухе, так и на капельках тумана. О чем подробно, но популярно, написано в обзоре по приведенной ранее ссылке.
2.1. Это затухание должно бы зависеть от частоты, чем больше частота - тем больше.
2.2. Обратите внимание на приведенные там характерные величины такого затухания. Для расстояний сантиметры - метр они очень не велики. Но они приводятся для звуковых частот.

[ViktorArs]

DimaM в сообщении #1282875 писал(а):

Если капли, то это уже туман (его частенько неверно называют "паром"). В чистом паре капель нет.

Прошу прощения за дилетантские разговоры, но что такое "чистый пар" могу только догадываться. Если по аналогии с дистиллированной водой, то чем тогда сухой воздух отличается от чистого пара (если нет центров конденсации)? В реальной жизни чистый пар будет (не знаю точного термина, наверно конденсироваться) на поверхностях предметов. Если теоретически их убрать из рассмотрения, то конденсироваться будет негде?

DimaM в сообщении #1282875 писал(а):

В пересыщенном паре ультразвук может вызывать конденсацию. На уровне распространения это, видимо, даст дисперсию и искажение формы волны.

Со всем, вроде как, согласен.

Одним словом, (согласно развитию обсуждения) под паром я (сам того не подозревая, за отсутствием глубоких знаний) также подразумевал ТУМАН образующийся над кипящей/горячей жидкостью!
Каково будет и будет ли влияние в этом случае?

[DimaM]

ViktorArs в сообщении #1282886 писал(а):

Если по аналогии с дистиллированной водой, то чем тогда сухой воздух отличается от чистого пара (если нет центров конденсации)?

Составом. Воздух состоит из кислорода и азота с примесью аргона и других газов, а пар - из молекул воды.

[ViktorArs]

EUgeneUS спасибо за ответ. Уравнение Вуда посмотрю.
Однако все эти показатели адиабаты, молярная масса, итд итп - это конечно уже далековато от инженерной практики. Где их взять? И что-то подсказывает, что применимость этого всего на таком глубоком уровне с учетом всех этих показателей, практически невозможно. Хотя может и ошибаюсь.
DimaM Спасибо. Ясно. Можно тупой вопрос-уточнение? Т.е. чистый пар - это газ в котором имеются отдельные молекулы воды, а туман, это уже когда несколько (минимум две) молекул воды группируются вокруг центра конденсации?

[realeugene]

ViktorArs в сообщении #1282870 писал(а):

Хотел уточнить: по сравнению с эффектами возникающими в горячем сухом газе?

По сравнению с меньшими частотами.

ViktorArs в сообщении #1282870 писал(а):

Размеры капель такого пара также малы?

Да, микроны.

ViktorArs в сообщении #1282870 писал(а):

Какая примерно влажность воздуха над кипящей водой

Если виден туман - то 100%, меняется только температура и давление водяного пара (в смысле воды в газообразной фазе), пар при этом остаётся насыщенным.

ViktorArs в сообщении #1282870 писал(а):

Если "оценить" имеется ввиду какой-то теоретический расчет, то может и можно покопаться в даташите. Хотя даташиты весьма скудные.

Посчитать исходя из написанного в даташите. Для такой оценки в нём информации достаточно, меня интересовало, понимаете ли вы его?

DimaM в сообщении #1282875 писал(а):

В пересыщенном паре

Думаю, пересыщение пара над кипящей кастрюлей можно не рассматривать.

У воздуха с насыщенным паром и сконденсированными каплями как другая плотность, так и другая упругость адиабаты. Это должно приводить к отличию скорости звука в тумане от скорости звука в сухом воздухе. Упругость адиабаты, в свою очередь, может зависеть от частоты звука и размера капель, так как скорость процессов испарения/конденсации капель определяется диффузионными потоками пара возле поверхности капель. Кроме того, эффективная плотность для расчёта скорости звука, также, может зависеть от частоты, так как капли не сразу увлекаются потоками воздуха в звуковой волне, и должна быть зависящая от размеров капель постоянная времени их увлечения. Все эти эффекты делают теоретический анализ этой задачи гораздо более трудным делом, чем для воздуха без капель воды, к тому же, распределение капель по размерам обычно не известно, и табулировать зависимость от него скорости звука бессмысленно.

-- 10.01.2018, 14:14 --

ViktorArs в сообщении #1282892 писал(а):

а туман, это уже когда несколько (минимум две) молекул воды группируются вокруг центра конденсации?

Туман - это когда диаметр капель превышает несколько сотен нанометров. Меньшие капли всё равно не видно.

[ViktorArs]

Цитата:

По сравнению с меньшими частотами.

Ясно.

Цитата:

Если виден туман - то 100%, меняется только температура и давление водяного пара (в смысле воды в газообразной фазе), пар при этом остаётся насыщенным.

Вот! Вернемся к примеру с кастрюлей и с водой. Предположим что атмосферное давление не меняется. При этом локальное давление над кипящей водой будет больше? Ну температура понятно что будет больше.

Цитата:

Посчитать исходя из написанного в даташите. Для такой оценки в нём информации достаточно, меня интересовало, понимаете ли вы его?

Спасибо. Открою сегодня даташит.

Цитата:

У воздуха с насыщенным паром и сконденсированными каплями как другая плотность, так и другая упругость адиабаты. Это должно приводить к отличию скорости звука в тумане от скорости звука в сухом воздухе. Упругость адиабаты, в свою очередь, может зависеть от частоты звука и размера капель, так как скорость процессов испарения/конденсации капель определяется диффузионными потоками пара возле поверхности капель. Кроме того, эффективная плотность для расчёта скорости звука, также, может зависеть от частоты, так как капли не сразу увлекаются потоками воздуха в звуковой волне, и должна быть зависящая от размеров капель постоянная времени их увлечения. Все эти эффекты делают теоретический анализ этой задачи гораздо более трудным делом, чем для воздуха без капель воды, к тому же, распределение капель по размерам обычно не известно, и табулировать зависимость от него скорости звука бессмысленно.

Да, со всем согласен. Но может существуют усредненные зависимости (скорости звука от температуры пара/тумана) или есть какие-то известные упрощения/допущения в расчетах?

Цитата:

Туман - это когда диаметр капель превышает несколько сотен нанометров. Меньшие капли всё равно не видно.

Ну и что что не видно. У нас же не визуальное наблюдение за объектом. Не видно - это значит что нет влияния? (электрические напряжения и токи мы тоже не видим, но они же существуют)

[realeugene]

ViktorArs в сообщении #1282906 писал(а):

При этом локальное давление над кипящей водой будет больше?

Нет, суммарное давление почти очень точно равно окружающему атмосферному. Часть этого суммарного давления связана с парциальным давлением водяного пара. Непосредственно над поверхностью кипящей воды оно почти равно атмосферному, соответственно, там почти не остаётся азота и других газов.

ViktorArs в сообщении #1282906 писал(а):

Не видно - это значит что нет влияния?

Это значит, что эти капли не видны как туман, только и всего. Кстати, у таких мелких капель свои особенности, вроде заметной зависимости давления насыщенного водяного пара на поверхностью капли от её диаметра.

ViktorArs в сообщении #1282906 писал(а):

Но может существуют усредненные зависимости (скорости звука от температуры пара/тумана) или есть какие-то известные упрощения/допущения в расчетах?

Может и существуют, в специализированной справочной литературе, посвящённой вашим приборам. Но сомневаюсь, так как зависимости от размеров капель предположительно сильные, а распределение по размерам капель редко известно. В принципе, отдельные эффекты, вроде постоянной времени увлечения капель, считаются, но в целом всё выглядит сложным. И ещё многое зависит от точности, которую вы хотите достигнуть. Для парктроника наверное всё это можно игнорировать.

[wrest]

ViktorArs
Скажите, а с какой точностью вам надо знать скорость звука?

По отдельности, скорости в газах при 0 градусах Цельсия такие:
Азот 334 м/с
Кислород 316 м/с
Углекислый газ ($CO_2$) 260 м/с
Пары воды 401 м/с

При повышении температуры воздуха на 1 градус скорость звука в нем увеличивается на 0,59 м/с (т.е. около 0,2% на градус)