Радиометр акустический, прибор для измерения давления звукового излучения (радиационного давления звука) и в конечном счёте – ряда важнейших характеристик звукового поля - плотности звуковой энергии, интенсивности звука и др.

П. Н. Лебедев, экспериментально доказавший существование давления света, интересовался также вопросом – «давят» ли звуковые волны на препятствия, расположенные на пути их распространения. Его ученик А. Б. Альтберг сконструировал прибор для измерения давления звуковой радиации (излучения), который называется радиометром. Этот прибор представляет собой весьма чувствительные крутильные весы (рис.1). На рычажке, способном вращаться вокруг оси, подвешен легкий поршень и укреплено маленькое зеркальце; рычажок уравновешен небольшим грузом. Между поршнем и стенками отверстия в корпусе прибора имеется зазор в доли миллиметра, дающий возможность поршню свободно двигаться. Чтобы избежать влияния потоков воздуха (вследствие изменений температуры воздуха или благодаря другим причинам), к которым поршень весьма чувствителен, отверстие в приборе закрывают тонкой бумагой или тканью. Бумага или ткань вносят незначительное сопротивление прохождению звука, но препятствуют токам воздуха к диску.

При падении звуковых волн диск с рычажком поворачивается; этим доказывается, что звуковые волны давят на препятствие.

Давление звука (его также называют радиационным давлением) не следует смешивать со звуковым (переменным) давлением. При распространении звуковых волн в среде происходят попеременные сжатия и разрежения, причем частицы газа испытывают (наряду с неупорядоченным тепловым движением) смещения, происходящие с определенной (акустической) скоростью. В участках сжатия скорость частиц направлена по направлению движения волны, в участках разрежения – в обратном направлении. Легко видеть поэтому, что сопротивление движению частиц будет меньше, когда частицы движутся из области сжатия в область разрежения, чем в случае, когда частицы движутся из области разрежения в область сжатия. Поскольку давление определяется произведением скорости частиц на удельное сопротивление среды, то давление по направлению распространения волны будет несколько больше, чем в обратном направлении. Так возникает постоянное давление звука в направлении распространения волны.

Английским ученым Рэлеем теоретически было показано, что среднее давление звука на перпендикулярную стенку, полностью отражающую звук и имеющую размеры значительно больше, чем длина звуковой волны, равно 2I/c, где I – сила звука и с – скорость его (если препятствие полностью поглощает звук. Таким образом, радиометр служит прибором для измерения силы звука I, если скорость звука известна. Подобного рода радиометры применяются, в особенности в ультразвуковой технике, при измерениях интенсивности ультразвука в жидкости.

Отметим, что приведенная выше величина давления, строго говоря, относится к изотермическому процессу; для адиабатического же процесса, который в действительности имеет место, давление звука равно (γ+ 1) I/c , где γ=c_p/c_v.

Рэлей вывел эти формулы, рассматривая случай, когда звук распространяется в закрытой трубе с жесткими стенками, содержащей идеальный газ, т. е. когда звук полностью заполняет эту трубу. Приведенные выше формулы показывают, что звуковое давление на удаленную стенку трубы численно равно энергии, приходящейся на единицу объема в этой трубе плюс некоторый добавок, происходящий благодаря нагреванию газа звуком, поскольку процесс распространения звука представляет собой процесс адиабатический.

Французский ученый Ланжевен рассмотрел более важный в практическом отношении случай звукового давления на препятствие, находящееся в открытом пространстве (случай радиометра). Из его рассмотрения следовало, что давление на препятствие, полностью поглощающее звук, точно равно энергии, приходящейся на единицу объема в падающем пучке звуковых лучей (так же как и в случае светового давления). Кажущееся несоответствие выводов Рэлея и Ланжевена было разъяснено французским физиком Бриллюэном, который указал, что рэлеевское давление состоит из двух отдельных частей. Первая часть соответствует ланжевеновскому давлению – это давление испытывает препятствие, на которое падают звуковые волны – эта часть, таким образом, имеет направленный (векторный) характер. Другая часть – это возникающее гидростатическое давление во всех направлениях; именно только это давление и испытывают боковые стенки трубы и оно представляет собой менее существенную часть давления звука. В открытом пространстве изменение давления компенсируется изменением объема, и мы имеем дело только с так называемым ланжевеновским давлением на стенку. Это направленное давление имеет, таким образом, одну и ту же величину в открытой и закрытой системе, чем объясняется правильность результатов измерений с радиометром.

Существует несколько конструкций радиометров. Обычно радиометр представляет собой лёгкую подвижную систему, помещённую в звуковое поле на упругом подвесе (типа обычного или крутильного маятника или весов). Сила, обусловленная радиационным давлением, смещает приёмный элемент (лёгкий диск, шарик, конус, размер которых больше длины волны) из положения равновесия до тех пор, пока действие её не будет уравновешено силами, зависящими от конструкции радиометра (рис.1а). В радиометре маятникового типа (рис.1а) – это компонента силы тяжести, возникающая при отклонении подвеса на угол α, в радиометре типа крутильных весов (рис.1б) – это упругий момент закручивания нити. В компенсационном радиометре приёмный элемент возвращают в исходное положение, прикладывая внешнюю силу (простейший тип такого радиометра – чувствительные рычажные весы; рис.1в). Давление звукового излучения рассчитывается по радиационной силе, зависящей от соотношения длины волны и размеров приёмного элемента радиометра, его формы и коэффициенты отражения.

Метод определения интенсивности ультразвука с помощью акустического радиометра – один из самых точных и простых методов. Однако радиометр инерционен и подвержен влиянию акустических течений, что снижает точность измерений.

Радиометрический эффект, проявление действия силы отталкивания между двумя поверхностями, поддерживаемыми при разных температурах (T₁ > T₂) и помещенными в разреженный газ. Эффект вызывается тем, что молекулы, ударяющиеся о поверхность с T₁, отскакивают от неё, имея более высокую среднюю кинетическую энергию, чем молекулы, ударяющиеся о поверхность с T₂. Холодная пластина со стороны, обращенной к горячей, бомбардируется молекулами, имеющими в среднем более высокую энергию, чем молекулы, бомбардирующие пластину с противоположной стороны (со стороны стенки сосуда с Т = T₂). Благодаря разнице в импульсах, передаваемых молекулами противоположным сторонам пластины, возникает сила отталкивания. При достаточно низких давлениях газа р, когда средняя длина свободного пробега молекул больше, чем расстояние между поверхностями, сила отталкивания, приходящаяся на единицу площади:

.

При более высоких F становится меньше, несмотря на то, что в передаче энергии участвует большее количество молекул, т.к. быстрые молекулы теряют часть своей энергии при столкновении с более медленными молекулами. Т. о., при низких давлениях сила F прямо пропорциональна р, а при высоких – обратно пропорциональна. При некотором промежуточном р значение силы F проходит через максимум.