Скорость звука
Звук распространяется посредством звуковых волн. Вибрирующий предмет передает свою вибрацию соседним молекулам или частичкам. Происходит передача движения от одной частички к другой, что приводит к появлению звуковой волны.
Средой распространения звуковых волн могут быть различные материалы — дерево, воздух, вода; следовательно, скорость распространения звуковых волн должна быть различной. Если мы говорим о скорости звука, мы должны спросить: а в какой среде? Скорость звука – это характеристика среды, в которой распространяется волна.
Скорость звука в воздухе составляет около 335 м/сек. Но это при температуре 0° С. С повышением температуры скорость распространения звука также увеличивается.
В воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. При температуре 8° С скорость его распространения составляет около 1435 м/сек, или около 6 тыс. км/час. В металле эта скорость достигает порядка 5000 м/сек, или 20 000 км/час.
Звук распространяется посредством звуковых волн. Вибрирующий предмет передает свою вибрацию соседним молекулам или частичкам.
Имя выдающегося поэта, мыслителя, переводчика, одного из создателей литературного азербайджанского языка Мухаммеда Физули навсегда вошло в историю Азербайджана.
Бахрам-шах был искусным охотником и хвастался своей ловкостью после очередной охоты. У шаха была прекрасная наложница по имени Фитнэ.
Радуга – одно из изумительных явлений природы. Она выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового цветов.
Отец Гаджи Зейналабдина Тагиева был башмачником. Этим он обеспечивал свою семью. Когда Зейналабдину исполнилось 10 лет, он попросил отца найти ему работу.
Гобустан, возраст которого составляет больше 15 тысяч лет, расположен недалеко от Баку. На рисунках, выгравированных на скалах Гобустана, отражены жизнь, быт и образ мышления наших предков.
Скорость звука
Ско́рость зву́ка, скорость распространения в среде упругих волн . Определяется упругостью и плотностью среды. Для плоской гармонической волны в среде без дисперсии скорость звука равна c = ω / k > c = ω / k , где ω \omega ω – частота , k \boldsymbol k – волновое число . Со скоростью c c распространяется фаза гармонической волны, поэтому её называют также фазовой скоростью звука. В средах с дисперсией звука фазовая скорость различна для разных частот; в этих случаях используют понятие групповой скорости . При больших амплитудах упругой волны скорость распространения каждой точки профиля волны зависит от величины давления в этой точке, возрастая с ростом давления, что приводит к искажению формы волны (см. в статье нелинейная акустика ). Скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях , а в жидкостях, как правило, меньше, чем в твёрдых телах . При температуре 20 °C и нормальном давлении скорость звука в воздухе составляет 343,1 м/c, в воде – 1490 м/c.
В газах и жидкостях звук распространяется в виде объёмных волн сжатия – разряжения. Если процесс распространения звука происходит адиабатически , то скорость звука равна c = x ( ∂ P / ∂ ρ ) s \text= \sqrt
, где P P – давление, ρ \rho ρ – плотность вещества, индекс s s показывает, что производная берётся при постоянной энтропии . Эта скорость звука называется адиабатической.
В идеальном газе c = γ P / ρ = γ R T / μ =\sqrt=\sqrt c = γ P / ρ
, где R R – универсальная газовая постоянная , Т \textit Т – абсолютная температура, μ \mu μ – молекулярная масса газа, γ \gamma γ – отношение теплоёмкостей при постоянном давлении и постоянном объёме. Это т. н. лапласова скорость звука; в газе она совпадает по порядку величины со средней тепловой скоростью движения молекул. Величина c ′ = P / ρ >=\sqrt c ′ = P / ρ
называется ньютоновой скоростью звука; она определяет скорость звука при изотермическом процессе распространения, который имеет место на очень низких частотах.
В идеальном газе при заданной температуре скорость звука не зависит от давления и растёт с ростом температуры как T \sqrt> T
. При комнатной температуре относительное изменение скорости звука в воздухе составляет примерно 0,17 % на 1 °C. В жидкостях скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры. Исключением является вода , в которой скорость звука при комнатной температуре увеличивается с ростом температуры, достигает максимума при температуре ≈ 74 \approx 74 ≈ 74 °C и уменьшается с дальнейшим ростом температуры. Скорость звука в воде растёт с увеличением давления примерно на 0,01 % на 1 атм, а также с увеличением содержания растворённых в ней солей .
В морской воде скорость звука зависит от температуры, солёности и глубины. Эти зависимости имеют сложный вид; для расчёта скорости звука используются таблицы, рассчитанные по эмпирическим формулам. Поскольку температура, давление, а иногда и солёность меняются с глубиной, то скорость звука в океане является функцией глубины. Эта зависимость в значительной степени определяет характер распространения звука в океане, в частности определяет существование подводного звукового канала .
В неограниченной твёрдой среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) упругие волны. В изотропном твёрдом теле фазовая скорость для продольной волны
c l = E ( 1 − σ ) ρ ( 1 + σ ) ( 1 − 2 σ ) = K + 4 / 3 G ρ , >=\sqrt< \frac> =\sqrt< \frac>, c l = ρ ( 1 + σ ) ( 1 − 2 σ ) E ( 1 − σ )
, для сдвиговой волны
c t = E 2 ρ ( 1 + σ ) = G ρ , >=\sqrt< \frac> =\sqrt< \frac>, c t = 2 ρ ( 1 + σ ) E
где E E – модуль Юнга , G G – модуль сдвига, σ \sigma σ – коэффициент Пуассона , K K – модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн, причём обычно выполняется соотношение c l > 2 c t >>\sqrt > c l > 2
c t . В монокристаллах скорость звука зависит от направления распространения волны в кристалле (см. статью Кристаллоакустика ). В тех направлениях, в которых возможно распространение чисто продольных и чисто поперечных волн, в общем случае имеется одно значение c l > c l и два значения c t > c t . Если значения c t > c t различны, то соответствующие волны иногда называют быстрой и медленной поперечными волнами. В общем случае для каждого направления распространения волны в кристалле могут существовать три смешанные волны с различными скоростями распространения, которые определяются соответствующими комбинациями модулей упругости.
В металлах и сплавах скорость звука существенно зависит от предшествующей механической и термической обработки; это явление частично связано с дислокациями , наличие которых также влияет на скорость звука. В металлах, как правило, скорость звука уменьшается с ростом температуры. При переходе металла в сверхпроводящее состояние величина ∂ c ∂ T \frac ∂ T ∂ c в точке перехода меняет знак. В сильных магнитных полях проявляются некоторые эффекты в зависимости скорости звука от магнитного поля, отражающие особенности поведения электронов в металле.
Измерения скорости звука используются для определения многих свойств вещества, таких как величина отношения теплоёмкостей для газов, сжимаемости газов и жидкостей, модулей упругости твёрдых тел, температуры Дебая и др. Измерение малых изменений скорости звука – чувствительный метод определения примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерение скорости звука и её зависимости от температуры, магнитного поля и других параметров позволяет исследовать строение вещества: зонную структуру полупроводников , форму ферми-поверхности в металлах и многое другое.
Редакция физических наук
Опубликовано 4 мая 2023 г. в 18:54 (GMT+3). Последнее обновление 4 мая 2023 г. в 18:54 (GMT+3). Связаться с редакцией
Как зависит скорость звука от температуры
Во время грозы сначала видна вспышка молнии и лишь через некоторое время слышатся раскаты грома. Это запаздывание возникает из-за того, что скорость звука в воздухе значительно меньше скорости света, идущего от молнии. Любопытно вспомнить, в какой среде звук распространяется быстрее всего, а где вообще не распространяется?Опыты и теоретические расчеты скорости звука в воздухе предпринимались ещё с XVII века, но только через два столетия французский ученый Пьер-Симон де Лаплас вывел окончательную формулу для её определения. Скорость звука зависит от температуры: с увеличением температуры воздуха она растёт, а с уменьшением — падает. При 0° скорость звука составляет 331 м/с (1192 км/ч), при +20° она уже равна 343 м/с (1235 км/ч).Скорость звука в жидкостях, как правило, больше скорости звука в воздухе. Опыты по определению скорости впервые провели на Женевском озере в 1826 году. Два физика сели в лодки и разъехались на 14 км. На одной лодке поджигали порох и одновременно ударяли в колокол, опущенный в воду. Звук колокола с помощью специального рупора, также опущенного в воду, улавливался на другой лодке. По интервалу времени между вспышкой света и приходом звукового сигнала определили скорость звука в воде. При температуре +8° она оказалась равной примерно 1440 м/с. Люди, работающие в подводных сооружениях, подтверждают, что под водой отчетливо слышны береговые звуки, а рыбаки знают, что рыба уплывает при малейшем подозрительном шуме на берегу.Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях и газах. К примеру, если приложить ухо к рельсу, то после удара по другому концу рельса человек услышит два звука. Один из них «придёт» до уха по рельсу, другой – по воздуху. Хорошей проводимостью звука обладает земля. Поэтому в стародавние времена при осаде в крепостных стенах помещали «слухачей», которые по звуку, передаваемому землёй, могли определить, ведет ли враг подкоп к стенам или нет, мчится конница или нет. Кстати, благодаря этому люди, потерявшие слух, иной раз способны танцевать под музыку, которая доходит до их слуховых нервов не через воздух и наружное ухо, а через пол и кости.Скорость звука – скорость распространения упругих волн в среде как в продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и в поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах), определяется упругостью и плотностью среды. Скорость звука в твёрдых телах больше, чем в жидкостях. В жидкостях, в том числе в воде, звук мчится в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе. Скорость звука в газах зависит от температуры среды, в монокристаллах — от направления распространения волны.То есть, для распространения звука необходима упругая среда. Именно поэтому в вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться. Это подтверждает простой опыт. Если поместить под стеклянный колокол электрический звонок, то по мере выкачивания из-под колокола воздуха, звук от звонка будет становиться слабее и слабее, пока не прекратится совсем.
Следите за развитием событий в нашем Телеграм-канале
Хотите видеть наши новости в своей ленте социальной сети? Присоединяйтесь к нам в Вконтакте, Одноклассниках и в Яндекс.Дзен. Вы также можете настроить RSS-фид и подписаться на регулярное получение новостей и погоды в Telegram.
Скорость распространения звука
В открытом пространстве в воздухе звук распространяется во всех направлениях. В этом случае звуковые волны имеют сферический вид и подобны световым волнам. Их можно экранировать, фокусировать и направлять в определенную сторону так же, как световые лучи от какого-либо источника.
В связи с тем, что плотность газов существенно зависит от температуры, скорость звука в газах также зависит от температуры газообразной среды.
Законами распространения звука в атмосфере занимается атмосферная акустика (см. Акустический словарь). Распространение звука в свободной атмосфере имеет ряд особенностей.
Звуковые волны, благодаря низкой теплопроводности, сжимаемости и вязкости воздуха, поглощаются тем сильнее, чем выше частота звука и чем меньше плотность атмосферы.
Поэтому резкие вблизи звуки выстрелов или взрывов на больших расстояниях становятся глухими. В соответствии с законами классической аэродинамики скорость звука с (в м/с) в воздухе можно вычислить, зная абсолютную температуру T (K), по формуле (1):
На практике скорость звука в воздухе свопределяется такжепо эмпирической формуле (2):
св = 331,4 + 0,6 • tв(2)
где,
331,4 (м/сек) — скорость звука при температуре воздуха tв = 0°С
tв — температура воздуха
0,6 — эмпирический коэффициент
При этом надо учитывать, что в воздухе в связи со сферической формой звуковых волн происходит довольно быстрое затухание звуковой энергии и соответствующее этому ослабление звука.
Скорость звука в воздухе в зависимости от его температуры, а также скорость звука в воде и различных твёрдых материалах приведены в Таблице №1.
Скорость распространения продольных звуковых волн сп зависит от упругих свойств материальной среды, в которой они распространяются, − чем эластичнее среда, тем меньше скорость распространения звуковых волн.
В противоположность сферическим звуковым волнам в частях здания, имеющих вид плит (Рис. 3), звук распространяется в виде плоских двумерных волн, аналогичных образующимся на поверхности жидкостей.
Скорость звука в воздухе в зависимости от температуры