5.2.2.3. Испытания на стандартных материалах

Ввиду отсутствия некоторого общепринятого стандарта проверку погрешности какой-либо измерительной системы можно осуществить, выполняя измерения на таких материалах, параметры которых уже исследованы и результаты измерений для которых хорошо воспроизводятся. Наиболее широко для контрольных измерений скорости звука используется дистиллированная вода, иногда для этих целей применяется также физиологический раствор с известной концентрацией хлорида натрия. При проведении подобных измерений необходим строгий контроль за температурой среды. С другой стороны, контролируемое изменение температуры может служить удобным средством испытания измерительной системы в определенном диапазоне значений скорости звука. На рис. 5.2 представлены зависимости скорости звука от температуры для дистиллированной воды, физиологического раствора и различных смесей этилового спирта с водой. Дель-Гроссо и Мейдер [21] на основании обработки экспериментальных данных получили, что зависимость скорости звука в дистиллированной воде от температуры хорошо аппроксимируется полиномом пятой степени. Было показано, что такая аппроксимация позволяет рассчитать скорость звука в воде с точностью не хуже при нормальном атмосферном давлении в интервале температур от 0 до 100 °С. Соответствующее выражение, которое использовалось при построении показанной на рис. 5.2 температурной зависимости скорости звука в воде, имеет вид

Рис. 5.2. Зависимость скорости звука от температуры в средах, которые использовались при измерениях в качестве эталонных сред. Эти же среды применялись при оценках погрешностей измерительной аппаратуры. Представленные данные заимствованы из работ [21] (вода), [20] (физиологический раствор), [32] (смеси этилового спирта с водой). Указанные процентные концентрации физиологического раствора соответствуют граммам сухой соли на воды; процентные концентрации спирта соответствуют весовой концентрации этилового спирта в воде. Все данные получены при гидростатическом давлении в 1 атм.

где коэффициенты имеют следующие значения:

Большая часть данных о скорости звука в водных растворах солей появилась из-за интереса к вопросам гидроакустики и распространения звука в море. Эти данные можно использовать в качестве эталонных величин при лабораторных измерениях скорости звука в растворах хлористого натрия. В работе [67] составлены таблицы, характеризующие зависимость скорости звука от солености и температуры воды при атмосферном давлении, а в работе [20] приведены простые эмпирические соотношения, позволяющие рассчитать скорость звука в зависимости от температуры, концентрации поваренной соли и глубины от поверхности воды. При атмосферном давлении (нулевой глубине) соответствующее выражение приводится к виду [52]

где (Т выражена в градусах Цельсия) и концентрация соли в граммах сухого веса на воды.

При контрольных измерениях широкий интервал значений скорости звука можно получить, используя смеси этилового спирта и воды в различных пропорциях. Как видно из рис. 5.2, чистый спирт характеризуется низкими значениями скорости звука и отрицательным температурным коэффициентом скорости. По мере добавления к спирту воды скорость звука в смеси возрастает, а ее температурный коэффициент уменьшается. В конце концов скорость звука достигает максимального значения, превышающего скорость звука в дистиллированной воде, а температурный коэффициент скорости меняет знак. Примечательно, что при концентрации этилового спирта в воде, равной 17% (по весу), температурный коэффициент скорости обращается в нуль. Именно этот факт побудил в свое время Джакомини [32] рассматривать подобную смесь как весьма удобную эталонную среду для исследования скорости распространения акустических волн.