Яка швидкість звуку?

У атмосфері Землі швидкість звуку вона становить 343 метри в секунду; або один кілометр на 2,91 в секунду або на одну милю на 4,69 в секунду.

Швидкість звуку в ідеальному газі залежить тільки від його температури і складу. Швидкість має слабку залежність від частоти і від тиску в звичайному повітрі, дещо відхиляючись від ідеальної поведінки.

Яка швидкість звуку?

Як правило, швидкість звуку відноситься до швидкості, з якою звукові хвилі проходять через повітря. Однак швидкість звуку змінюється залежно від речовини. Наприклад, звук рухається повільніше в газах, рухається швидше в рідинах, і навіть швидше в твердих тілах.

Якщо швидкість звуку в повітрі становить 343 метри в секунду, це означає, що вона подорожує на рівні 1484 метри в секунду у воді і приблизно 5120 метрів в секунду в залізі. У винятково жорсткому матеріалі, як, наприклад, алмаз, звук подорожує на рівні 12 000 метрів в секунду. Це найвища швидкість, при якій звук може пересуватися в звичайних умовах.

Звукові хвилі в твердих тілах складаються з хвиль стиснення - як у газах і рідинах, так і з іншого типу хвиль, що називаються обертальними хвилями, присутні тільки в твердих тілах. Обертальні хвилі в твердих тілах зазвичай рухаються з різною швидкістю.

Швидкість хвиль стиснення в твердих тілах визначається стисливістю, щільністю і поперечним модулем пружності середовища. Швидкість обертальних хвиль визначається тільки щільністю і модулем поперечної пружності модуля.

У динамічній рідині швидкість звуку в текучій середовищі, або газовій, або рідкій, використовується як відносна міра швидкості об'єкта, що рухається через середовище.

Відношення швидкості об'єкта до швидкості світла в рідині називається числом березня об'єкта. Об'єкти, що рухаються швидше, ніж 1 березня, називаються об'єктами, які подорожують на надзвукових швидкостях.

Основні поняття

Передача звуку може бути проілюстрована за допомогою моделі, що складається з серії куль, з'єднаних між собою проводами.

У реальному житті кулі представляють молекули, а нитки являють собою зв'язки між ними. Звук проходить через модель, стискаючи і розширюючи нитки, передаючи енергію на сусідні кульки, які в свою чергу передають енергію їх ниткам і так далі..

Швидкість звуку через модель залежить від жорсткості ниток і маси кульок.

Поки простір між кульками постійний, жорсткі нитки передають енергію швидше, а кульки з більшою масою передають енергію повільніше. Такі ефекти, як розсіювання і відображення, також можна зрозуміти з цією моделлю.

У будь-якому реальному матеріалі жорсткість ниток називається модулем пружності, а маса відповідає щільності. Якщо всі інші речі рівні, звук буде рухатися повільніше в губчастих матеріалах і швидше в жорсткіших матеріалах.

Наприклад, через нікель, ніж у бронзі, звук подорожує в 1,59 рази швидше, оскільки жорсткість нікелю більша при тій же щільності.

Аналогічно, звук подорожує в 1,41 рази швидше в легкому водневому газі (протію), ніж у важкому водневому газі (дейтерію), оскільки важкий газ має подібні властивості, але має вдвічі більшу щільність.

У той же час, звук типу "стиснення" швидше рухатиметься в твердих тілах, ніж рідини, і рухатися швидше в рідинах, ніж у газах.

Цей ефект обумовлений тим, що тверді речовини мають більше труднощів при стисненні, ніж рідини, тоді як рідини, з іншого боку, більш складні для стиснення, ніж гази..

Хвилі стиснення і обертальні хвилі

У газі або рідині звук складається з хвиль стиснення. У твердих тілах хвилі поширюються через два різні типи хвиль. Поздовжня хвиля пов'язана зі стисненням і декомпресією в напрямку руху; це той самий процес в газах і рідинах, що має аналогічну хвилю стиску в твердих тілах.

У газах і рідинах існують тільки хвилі стиснення. Додатковий тип хвилі, званий поперечною хвилею або обертальною хвилею, відбувається тільки в твердих тілах, оскільки тільки тверді речовини можуть витримувати пружні деформації.

Це пояснюється тим, що пружна деформація середовища перпендикулярна напрямку руху хвилі. Напрямок деформованого обертання називається поляризацією цього типу хвилі. Як правило, поперечні хвилі виникають як пара ортогональних поляризацій.

Ці різні типи хвиль можуть мати різну швидкість на одній частоті. Тому вони можуть звернутися до спостерігача в різний час. Прикладом такої ситуації є землетруси, коли хвилі гострого стиснення надходять першими, а коливальні поперечні хвилі надходять секунди пізніше.

Швидкість стиснення хвиль у рідині визначається стисливістю і щільністю середовища.

У твердих тілах хвилі стиснення аналогічні хвилям, що зустрічаються в рідинах, залежно від стисливості, щільності та додаткових факторів поперечного модуля пружності.

Швидкість обертальних хвиль, які виникають тільки в твердих тілах, визначається тільки модулем поперечної пружності і щільністю модуля.

Список літератури

1. Швидкість звуку в різних засобах масової інформації. Гіперфізика Отримано з hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
2. Швидкість звуку. Отримано з mathpages.com.
3. Майстер-посібник з акустики. (2001). Нью-Йорк, США. McGraw-Hill. Отримано з wikipedia.com.
4. Швидкість звуку у воді при температурах. Інженерна панель інструментів. Отримано з engineeringtoolbox.com.
5. Швидкість звуку в повітрі. Фізика музичних нот. Отримано з phy.mtu.edu.
6. Атмосферні ефекти на швидкості звуку. (1979). Технічний звіт центру технічної інформації оборони. Отримано з wikipedia.com.