Velocità del suono nei gas e metrologia dei fluidi - Speed of sound in gases and metrology of fluids

The speed of sound in fluids is defined by both the physical quantities which define the thermodynamic state of the system at a macroscopic level, like temperature and density, and by physical microscopic properties which are characteristic of a particular substance, like the potential of molecular or atomic interaction and the configuration of the energy levels. This review article describes the functional relations which link the speed of sound u to the properties of a gas, by examining different complexity level: i) an ideal gas, where u depends only on the thermodynamic temperature T; ii) a lossless real gas, where u depends on temperature and pressure, i.e. the density; iii) a dissipative and dispersive real gas, where u depends on temperature, pressure and frequency f. We will examine each of these cases in turn, describing the physical phenomena taking place during the propagation of an acoustic wave and illustrating the mainly relevant technologic and scientific applications which might be achieved by an accurate measurement of the speed of sound. Finally, the theory and practice of an experimental technique which is suitable to achieve an accurate measurement of speed of sound with spherical resonators, will be described.

La velocità del suono in un fluido è una grandezza fisica determinata a livello macroscopico dal valore delle variabili termodinamiche, temperatura e densità, che definiscono lo stato del sistema, a livello microscopico da alcune proprietà fisiche caratteristiche della particolare sostanza in esame, quali il potenziale di interazione intermolecolare e la configurazione dei livelli energetici. In questo articolo vemgono descritte le relazioni che legano la velocità del suono u alle proprietà di un gas, considerando diversi livelli di complessità. Per ognuno di questi livelli sono descritti i fenomeni fisici che intervengono nella propagazione di un'onda acustica e sono illustrate le principali applicazioni di interesse scientifico e tecnologico che sono realizzabili attraverso una misura accurata della velocità del suono. Infine, vengono descritti i principi teorici e i metodi sperimentali utilizzati per una misura accurata di velocità del suono con risonatori sferici.