Звуковой спектроскопией называют раздел экспериментальной акустики, в котором изучаются частотные зависимости параметров распространения звука (коэффициента затухания и скорости распространения) с целью определения структуры или свойств вещества.

Звуковая спектроскоприя изучает распространение в веществе звуковых волн малых амплитуд. В случае продольных волн частицы или малые элементы объема, содержащие не менее 10⁴ молекул, колеблются вдоль направления распространения волны, в случае поперечных-в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Продольные волны создают последовательно чередующиеся адиабатич. сжатия и разрежения среды, сопровождающиеся изменением т-ры и соответствующим смещением равновесия хим. реакций. В областях сжатия и разрежения возникают небольшие локальные отклонения от термодинамич. равновесия, не приводящие (в случае звуковых колебаний малых амплитуд) к фазовым переходам. Среда стремится вернуться в состояние термодинамического равновесия, т.е. возникают релаксационные процессы, которые приводят к поглощению энергии волн. Убывание амплитуды (избыточного давления dР) плоской волны, распространяющейся вдоль направления OX, описывается уравнением: dР(х) =dP₀e^-ax , где dР₀-начальная амплитуда, a-коэф. поглощения, зависящий от частоты v (v = T/2π, где T-период волны).

При релаксации фазовая скорость С волны также зависит от v, т.е. наблюдается дисперсия скорости звука. Если Т намного меньше времени релаксации τ, звуковые колебания не успевают изменить состояние среды, и при v→∞, С→C_∞(см. рис. 1). При T>>τ (низкие частоты) термодинамическое равновесие среды в основном успевает установиться и скорость звука будет меньше (v→0, С→С₀). Наибольшее изменение С наблюдается в так называемой дисперсионной области при частоте релаксации v_p = 1/2πτ.

В методах акустической спектроскопии измеряют зависимости С и α от v (или ω=2πv) с помощью акустических спектрометров, обычно содержащих излучатель и приемник звуковых колебаний. Распространены приборы, позволяющие измерять С и в жидкой среде в интервале v 10⁴-10⁹ Гц. Требующийся для измерений объем вещества составляет (10C/v)³, относительная погрешность измерений С-10^-1 - 10^-3%, α - 5-10%.

При проведении исследований сначала находят экспериментальные зависимости С и α от v. Затем, исходя из той или иной модели релаксационного процесса, рассчитывают теоретические зависимости и сравнивают их с экспериментальными. Наиболее часто релаксационный процесс описывают с помощью представлений об элементарных химических реакциях. В терминах элементарных реакций могут быть описаны любые резкие изменения состояния системы, приводящие к разрыву или образованию химических связей, конформационным превращениям, поглощению или испусканию фононов или фотонов и т.д.

 

Распространены методы акустической спектроскопии, основанные на исследовании затухания, и в частности поглощения звука. Для большинства жидкостей и газов характерна квадратичная зависимость коэффициента поглощения от частоты. Отклонение от этого закона, как правило, связано с релаксационными процессами, наличие которых в исследуемом веществе приводит к появлению дисперсии звука. В релаксирующих средах поглощение звука может меняться на несколько порядков, при этом изменение скорости распространения в большинстве случаев не превышает несколько процентов. В гетерогенных средах, а также в поликристаллических твердых телах с размерами структурных неоднородностей порядка длины волны определяющим механизмом затухания звуковых и ультразвуковых (УЗ) колебаний при их распространении является рассеяние. Частотная зависимость затухания в этом случае имеет сложный характер и коэффициент затуханий может быть пропорционален различной степени частоты (в зависимости от соотношений размеров неоднородностей и длины волны), вплоть до четвертой.

Методами звуковой спектроскопии исследуют свойства и строение вещества, кинетику быстрых реакций, конформационные превращения, возбуждение и дезактивацию внутримолекулярных колебаний в газах и жидкостях (в том числе в биологически активных средах). В твердых кристаллах исследуют образование и исчезновение дефектов.

Оптико-акустическая спектроскопия, раздел спектроскопии, основанный на оптико-акустическом эффекте. Последний заключается в возникновении акустических колебаний в образце (или в соприкасающемся с ним газе) при воздействии модулированным на звуковой частоте или импульсным электромагнитным излучением в оптическом диапазоне длин волн (УФ, видимым или ИК). Акустический сигнал возникает благодаря преобразованиям части поглощенной энергии электромагнитного излучения в тепловую, что приводит к соответствующим изменениям давления в самом образце или (вследствие теплопередачи через его поверхность) в соприкасающемся с ним газе. Прямая регистрация акустического сигнала осуществляется пьезоэлектрическим датчиком (в случае жидких или твердых образцов) или микрофоном (в случае газов). Оптико-акустическая спектроскопия с косвенной регистрацией, т.е. с микрофонной регистрацией акустического сигнала в газе, соприкасающемся с исследуемым твердым или жидким образцом, часто называется фото-акустической спектроскопией. Интенсивность регистрируемого сигнала увеличивается с увеличением мощности источника электромагнитного излучения и уменьшением частоты модуляции излучения, которая варьирует от десятков до тысяч Гц.

Зависимость интенсивности акустического сигнала от длины волны электромагнитного излучения представляет собой оптико-акустический спектр. Поскольку акустические колебания возникают в результате поглощения излучения, то оптико-акустические спектры схожи с оптическими абсорбционными. О количестве определяемого вещества судят по интенсивности акустического сигнала при характеристической длине волны; для построения градуировочных графиков используют образцы сравнения.

Косвенный метод регистрации акустических колебаний, использующийся главным образом для изучения твердых образцов, реализован в  промышленных приборах. Последние состоят из мощной ксеноновой лампы, модулятора (вращающиеся диски с отверстиями), монохроматора, акустической ячейки, представляющей собой герметичную полость, наполненную воздухом или другим газом и соединенную "акустическим каналом" с микрофоном, и системы регистрации. Источником излучения могут служить вольфрамогалогенные лампы, глобары (стержни из карбида Si, светящиеся при наложении электрического напряжения), лазеры, в т.ч. импульсные. В случае ламповых источников часто осуществляют электронную модуляцию электромагнитного излучения. При изучении газов и жидкостей используют прямой метод регистрации акустических колебаний, а в качестве источника излучения - лазер.

Оптико-акустическая спектроскопия - неразрушающий метод, позволяющий изучать те же вещества, что и абсорбционная спектроскопия, в любом агрегатном состоянии при температурах от ~ 4 до ~ 1000 К. Для исследования достаточно несколько кубических сантиметров газа, несколько микролитров жидкости или несколько милиграмм твердого вещества. Коэфициент поглощения образца могут варьировать в широких пределах - от 10^-7 (в случае газов от 10^-10) до 10⁶ см^-1. Форма и структура твердых образцов м.ожет быть любой; эффекты, связанные с рассеянием света, оказывают незначительное влияние на результаты измерений. Т.к. изменение частоты модуляции приводит к изменению глубины, на которой возникают акустические сигналы, метод позволяет проводить послойный анализ твердых образцов и обнаруживать включения с разрешением по глубине от десятых долей микрометров до десятых долей милиметра. Оптико-акустический сигнал характеризуется низкими пределами обнаружения вещества - до сотых долей части на милиард в газах, ~10^-1г/мл в жидкостях и ~ 10^-5 % по массе в твердых телах.