Каква е скоростта на звука?

Повечето хора разбират какво звучи. Тя е свързана с слуха и е свързана с физиологични и психологически процеси. Мозъкът обработва усещанията, които идват през органите на слуха. Скоростта на звука зависи от много фактори.

Звуците се отличават от хората

В общия смисъл на думата, звукът е физическо явление, което предизвиква ефект върху органите на слуха. Той има формата на надлъжни вълни с различни честоти. Хората могат да чуят звука, чиято честота варира от 16 до 200 Hz. Тези еластични надлъжни вълни, които се разпространяват не само във въздуха, но и в други среди, достигащи човешкото ухо, предизвикват звукови усещания. Хората не могат да чуят всичко. Еластичните вълни с честота по-малка от 16 Hz се наричат ​​инфразвук и над 20 000 Hz те се наричат ​​ултразвук. Тяхното човешко ухо не може да чуе.

Звукови характеристики

Има две основни характеристики на звука: обем и височина. Първият е свързан с интензивността на еластичността звукова вълна. Има и друг важен показател. Физическото количество, което характеризира височината, е честота на трептенията еластична вълна. В този случай се прилага едно правило: колкото повече е то, толкова по-висок е звукът и обратното. Друга важна характеристика е скоростта на звука. В различни среди е различно. Тя представлява скоростта на разпространение на еластични звукови вълни. В газообразната среда този индикатор ще бъде по-малък, отколкото при течности. Скоростта на звука в твърдите частици е най-висока. Освен това, за надлъжните вълни, тя винаги е по-голяма, отколкото за напречните.

Скоростта на разпространение на звуковите вълни

Този индикатор зависи от плътността на средата и нейната еластичност. В газообразни среди той се влияе от температурата на веществото. По правило скоростта на звука не зависи от амплитудата и честотата на вълната. В редки случаи, когато тези характеристики имат влияние, те говорят за така наречената дисперсия. Скоростта на звука по двойки или газове варира между 150-1000 m / s. В течни среди е вече 750-2000 м / сек, а в твърдите материали - 2000-6500 м / сек. При нормални условия скоростта на звука във въздуха достига 331 m / s. При нормална вода - 1500 m / s.

Скоростта на звуковите вълни в различни химически среди

Скоростта на звука в различни химически среди не е същата. Така, в азот е 334 m / s, във въздуха - 331, в ацетилен - 327, в амоняк - 415, във водород - 1284, в метан - 430, в кислород - 316, в хелий - 965, в въглероден оксид - 338, в въглероден диоксид - 259, в хлор - 206 m / s. Скоростта на звуковата вълна в газообразните среди нараства с увеличаване на температурата (Т) и налягането. В течностите най-често намалява с увеличаване на Т с няколко метра в секунда. Скоростта на звука (m / s) в течна среда (при температура 20 ° C):

• вода - 1490;

• етилов алкохол - 1180;

• бензен - 1324;

• живак - 1453;

• въглероден тетрахлорид - 920;

• глицерин - 1923г.

От горното правило, единственото изключение е водата, при която скоростта на звука се увеличава с увеличаване на температурата. Той достига своя максимум, когато тази течност се загрява до 74 ° С. С по-нататъшно повишаване на температурата скоростта на звука намалява. С увеличаване на налягането, тя ще се увеличи с 0.01% / 1 atm. В солена морска вода с повишаване на температурата, дълбочината и солеността ще се увеличи скоростта на звука. В други среди тази цифра варира по различни начини. Така в смес от течност и газ скоростта на звука зависи от концентрацията на компонентите му. В изотопното твърдо тяло се определя от неговата плътност и еластични модули. В неограничени плътни среди се разпространяват напречни (срязващи) и надлъжни еластични вълни. Скорост на звука (m / s) в твърди частици (надлъжна / напречна вълна):

• стъкло - 3460-4800 / 2380-2560;

• разтопен кварц - 5970/3762;

• бетон - 4200-5300 / 1100-1121;

• цинк - 4170-4200 / 2440;

• Тефлон - 1340 / *;

• желязо - 5835-5950 / *;

• злато - 3200-3240 / 1200;

• алуминий - 6320/3190;

• сребро - 3660-3700 / 1600-1690;

• месинг - 4600/2080;

• Никел - 5630/2960.

В феромагнитите скоростта на звуковата вълна зависи от величината силата на магнитното поле. В монокристали скоростта на звуковата вълна (m / s) зависи от посоката на нейното разпространение:

• рубин (надлъжна вълна) - 11240;
• кадмиев сулфид (надлъжен / напречен) - 3580/4500;
• литиев ниобат (надлъжен) - 7330.

Скоростта на звука във вакуум е 0, тъй като в такава среда просто не се разпространява.

Определяне на скоростта на звука

Всичко, което е свързано със звуковите сигнали, е интересувало нашите предци преди хиляди години. Почти всички изтъкнати учени от древния свят работят върху определянето на същността на това явление. Дори древните математици са установили, че звукът е причинен от осцилиращи движения на тялото. Евклид и Птолемей пишат за това. Аристотел установява, че скоростта на звука е ограничена. Първите опити за определяне на този показател са предприети от Ф. Бейкон през 17 век. Опита се да установи скоростта, като сравни времевите интервали между звука на изстрел и светкавицата. Въз основа на този метод, група физици от Парижката академия на науките за първи път определи скоростта на звуковата вълна. При различни експериментални условия тя е 350-390 m / s. Теоретичната обосновка за скоростта на звука за първи път в техните "Принципи" е разгледана от И. Нютон. За да се направи правилното определение на този индикатор се оказва в PS Лаплас.

Формули за скорост на звука

За газообразни среди и течности, в които се разпространява звук, като правило, адиабатично, температурната промяна, свързана с разтягане и компресия в надлъжната вълна, не може бързо да се изравни в кратък период от време. Очевидно няколко фактора влияят на този показател. Скоростта на звуковата вълна в хомогенна газообразна среда или течност се определя по следната формула:

c ² = 1 / βρ,

където β е адиабатната свиваемост, ρ е плътността на средата.

При частните деривати тази стойност се изчислява по следната формула:

c ² = -υ ² (δρ / δυ) _S = -υ ² Cp / Cυ (δρ / δυ) _T ,

където ρ, T, υ е налягането на средата, неговата температура и специфичен обем; S е ентропията; Cp - изобарен топлинен капацитет; Cυ - изохоричен топлинен капацитет. За газовите медии тази формула ще изглежда така:

c ² = TkT / m = tRt / M = (R (t + 273.15) / M = ² T,

където ζ е адиабатната стойност: 4/3 за многоатомни газове, 5/3 за едноатомни, 7/5 за двуатомни газове (въздух); R е газовата константа (универсална); T е абсолютната температура, измерена в келвини; k е константата на Болцман; t е температурата в ° С; М е моларната маса; m е молекулното тегло; ά ² = /R / M.

Определяне на скоростта на звука в твърдо тяло

В едно твърдо тяло с хомогенност има два вида вълни, които се различават по поляризация на осцилациите по отношение на посоката на тяхното разпространение: напречно (S) и надлъжно (P). Скоростта на първото (C _S ) винаги ще бъде по-ниска от втората (C _P ):

C _P ² = (K + 4 / 3G) / ρ = E (1 - v) / (1 + v) (1-2v) ρ;

C _s ² = G / ρ = E / 2 (1 + v) ρ,

където K, E, G - модули на компресия, Young, shift; v - съотношение на Пуасон. При изчисляването на скоростта на звука в твърди, се използват адиабатни еластични модули.

Скоростта на звука в многофазни среди

В многофазни среди поради нееластична абсорбция на енергия скоростта на звука зависи пряко от честотата на трептенията. В двуфазна пореста среда тя се изчислява по уравненията на Био-Николаев.

заключение

Измерването на скоростта на звуковата вълна се използва за определяне на различни свойства на веществата, като например еластичните модули на твърдото вещество, свиваемостта на течности и газ. Чувствителен метод за определяне на примесите е да се измерват малки промени в скоростта на звуковата вълна. При твърдите вещества флуктуацията на този индикатор ни позволява да изследваме лентовата структура на полупроводниците. Скоростта на звука е много важна величина, измерването на която ви позволява да научите много за голямо разнообразие от среди, тела и други обекти на научните изследвания. Без способността да го дефинират, много научни открития биха били невъзможни.