Что такое скорость звука в воздухе. Особенности распространения и излучения звука в воде

Скорость звука - скорость распространения упругих волн в среде: как продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах). Определяется упругостью и плотностью среды: как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях , а в жидкостях - меньше, чем в твёрдых телах. Также, в газах скорость звука зависит от температуры данного вещества , в монокристаллах - от направления распространения волны. Обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды ; в тех случаях, когда скорость звука зависит от частоты, говорят о дисперсии звука.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Уже у античных авторов встречается указание на то, что звук обусловлен колебательным движением тела (Птолемей , Евклид). Аристотель отмечает, что скорость звука имеет конечную величину, и правильно представляет себе природу звука . Попытки экспериментального определения скорости звука относятся к первой половине XVII в. Ф.Бэкон в «Новом органоне » указал на возможность определения скорости звука путём сравнения промежутков времени между вспышкой света и звуком выстрела. Применив этот метод, различные исследователи (М.Мерсенн , П.Гассенди , У.Дерхам , группа учёных Парижской академии наук - Д.Кассини , Ж.Пикар , Гюйгенс , Рёмер) определили значение скорости звука (в зависимости от условий экспериментов, 350-390 м/с). Теоретически вопрос о скорости звука впервые рассмотрел И.Ньютон в своих «Началах ». Ньютон фактически предполагал изотермичность распространения звука, поэтому получил заниженную оценку. Правильное теоретическое значение скорости звука было получено Лапласом .

  Расчёт скорости в жидкости и газе

  Скорость звука в однородной жидкости (или газе) вычисляется по формуле:

  c = 1 β ρ {\displaystyle c={\sqrt {\frac {1}{\beta \rho }}}}

  В частных производных:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T {\displaystyle c={\sqrt {-v^{2}\left({\frac {\partial p}{\partial v}}\right)_{s}}}={\sqrt {-v^{2}{\frac {C_{p}}{C_{v}}}\left({\frac {\partial p}{\partial v}}\right)_{T}}}}

  где β {\displaystyle \beta } - адиабатическая сжимаемость среды; ρ {\displaystyle \rho } - плотность; C p {\displaystyle C_{p}} - изобарная теплоемкость; C v {\displaystyle C_{v}} - изохорная теплоемкость; p {\displaystyle p} , v {\displaystyle v} , T {\displaystyle T} - давление, удельный объём и температура среды; s {\displaystyle s} - энтропия среды.

  Для растворов и других сложных физико-химических систем (например, природный газ, нефть) данные выражения могут давать очень большую погрешность.

  Твёрдые тела

  При наличии границ раздела, упругая энергия может передаваться посредством поверхностных волн различных типов, скорость которых отличается от скорости продольных и поперечных волн. Энергия этих колебаний может во много раз превосходить энергию объемных волн.

  Скорость звука

  К основным характеристикам звуковых волн относят скорость звука, его интенсивность - это объективные характеристики звуковых волн, высоту тона, громкость относят к субъективным характеристикам. Субъективные характеристики зависят в большой мере от восприятия звука конкретным человеком, а не от физических характеристик звука.

  Измерение скорости звука в твердых телах, жидкостях и газах указывают на то, что скорость не зависит от частоты колебаний или длины звуковой волны, т. е., для звуковых волн не характерна дисперсия. В твердых телах могут распространяться продольные и поперечные волны, скорость распространения которых находят с помощью формул:

  где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига в твердых телах. В твердых телах скорость распространения продольных волн почти в два раза больше чем скорость распространения поперечных волн.

  В жидкостях и газах могут распространяться лишь продольные волны. Скорость звука в воде находят за формулой:

  

  K - модуль объемного сжатия вещества.

  В жидкостях при возрастании температуры скорость звука возрастает, что связано с уменьшением коэффициента объемного сжатия жидкости.

  Для газов выведена формула, которая связывает их давление с плотностью:

  Впервые эту формулу для нахождения скорости звука в газах использовал И. Ньютон. Из формулы видно, что скорость распространения звука в газах не зависит от температуры, она также не зависит от давления, поскольку при возрастании давления возрастает и плотность газа. Формуле можно придать и более рациональный вид: на основе уравнения Менделеева-Клапейрона:

  Тогда скорость звука будет равна:

  Формула носит название формулы Ньютона. Рассчитанная с ее помощью скорость звука в воздухе составляет при 273К 280 м/с. Реальная же экспериментальная скорость составляет 330 м/с.

  Этот результат значительно отличается от теоретического и причину этого установил Лаплас.

  Он показал, что распространение звука в воздухе происходит адиабатно. Звуковые волны в газах распространяются так быстро, что, что созданные локальные изменения объема и давления в газовой среде происходят без теплообмена с окружающей средой. Лаплас вывел уравнение для нахождения скорости звука в газах:

  Распространение звуковых волн

  В процессе распространения звуковых волн в среде происходит их затухание. Амплитуда колебаний частиц среды постепенно уменьшается при возрастании расстояния от источника звука.

  Одной из основных причин затухания волн есть действие сил внутреннего трения на частицы среды. На преодоление этих сил непрерывно используется механическая энергия колебательного движения, что переносится волной. Эта энергия превращается в энергию хаотического теплового движения молекул и атомов среды. Поскольку энергия волны пропорциональна квадрату амплитуды колебаний, то прираспространении волн от источника звука вместе с уменьшением запаса энергии колебательного движения уменьшается и амплитуда колебаний.

  На распространение звуков в атмосфере влияет много факторов: температура на разных высотам, потоки воздуха. Эхо - это отраженный от поверхности звук. Звуковые волны могут отражаться от твердых поверхностей, от слоев воздуха в которых температура отличается от температуры соседних слоев.

  Звук - одна из составляющих нашей жизни, и человек слышит его везде. Чтобы более подробно рассмотреть это явление, вначале надо разобраться с самим понятием. Для этого надо обратиться к энциклопедии, где написано, что «звук - это упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания». Говоря более простым языком - это слышимые колебания в какой-либо среде. От того, какая она, и зависят основные характеристики звука. В первую очередь - скорость распространения, например, в воде отличается от другой среды.

  Любой звуковой аналог обладает определенными свойствами (физическими особенностями) и качествами (отражение этих признаков в человеческих ощущениях). Например, продолжительность-длительность, частота-высота, состав-тембр и так далее.

  Скорость звука в воде значительно выше, чем, допустим, в воздухе. Следовательно, распространяется он быстрее и намного дальше слышен. Происходит такое из-за высокой молекулярной плотности водной среды. Она в 800 раз плотнее, чем воздух и сталь. Отсюда следует, что распространение звука во многом зависит от среды. Обратимся к конкретным цифрам. Так, скорость звука в воде равняется 1430м/с, в воздухе - 331,5м/с.

  Низкочастотный звук, к примеру, шум, который производит работающий судовой двигатель, всегда слышится несколько раньше, чем судно появляется в зоне видимости. Его скорость зависит от нескольких вещей. Если температура воды повышается, то, естественно, повышается скорость звука в воде. То же самое происходит с повышением солености воды и давления, которое растет с увеличением глубины водного пространства. Особую роль на скорость может оказать такое явление, как термоклинья. Это такие места, в которых встречаются разной температуры слои воды.

  Также в таких местах разная (из-за разности в температурном режиме). И когда волны звука проходят через такие разноплотные слои, они утрачивают большую часть своей силы. Столкнувшись с термоклином, звуковая волна частично, а иногда и полностью, отражается (степень отражения зависит от угла, под которым падает звук), после чего, по другую сторону этого места, образуется теневая зона. Если рассмотреть пример, когда звуковой источник располагается в водном пространстве выше термоклина, то уже ниже услышать вообще что-то будет не то что сложно, а практически невозможно.

  Которые издаются над поверхностью, в самой воде никогда не слышны. И наоборот происходит, когда под водным слоем: над ним он не звучит. Яркий тому пример - современные дайверы. Их слух сильно снижается из-за того, что вода воздействует на а высокая скорость звука в воде снижает качество определения направления, откуда тот движется. Этим самым притупляется стереофоническая способность восприятия звука.

  Под слоем воды поступают в человеческое ухо больше всего через кости черепной коробки головы, а не как в атмосфере, через барабанные перепонки. Результатом такого процесса становится его восприятие одновременно обоими ушами. Мозг человека не способен в это время различить места, откуда поступают сигналы, и в какой интенсивности. Итогом становится появление сознания, что звук как бы накатывает со всех сторон одновременно, хотя это далеко не так.

  Кроме описанного выше, звуковые волны в водном пространстве имеют такие качества, как поглощение, расходимость и рассеивание. Первое - когда сила звука в соленой воде постепенно сходит на нет за счет трения водной среды и находящихся в ней солей. Расходимость проявляется в удалении звука от его источника. Он будто растворяется в пространстве как свет, и в итоге его интенсивность значительно падает. А пропадают колебания совсем из-за рассеивания на всяческих препятствиях, неоднородностях среды.

  Наблюдатель по часам отмечал время, прошедшее между появлением вспышки и моментом, когда был услышан звук. Временем, за которое свет проходил это расстояние, пренебрегали. Для того чтобы в наибольшей степени устранить влияние ветра, с каждой стороны было по пушке и наблюдателю и каждая пушка стреляла примерно в одно и то же время.

  Бралось среднее значение двух замеров времени, и на его основании . Она оказалась примерно равной 340 мс -1 . Большим недостатком этого способа измерения было то, что не всегда пушка оказывалась под рукой!

  Многие экзаменуемые описывают похожий способ. Один ученик стоит на одной стороне футбольного поля состартовым пистолетом, а другой - на другой его стороне с секундомером. Расстояние между ними тщательно измеряется рулеткой. Ученик пускает секундомер, когда видит, как из ствола появляется дымок, и останавливает его, услышав звук. То же самое проделывается, когда они поменяются местами, чтобы компенсировать воздействие ветра. Затем определяется среднее время.

  Поскольку звук распространяется со скоростью 340 мс -1 , то секундомер, скорее всего, не будет достаточно точен. Предпочтительнее оперировать сантисекундами или миллисекундами.

  Измерение скорости звука с помощью эха

  Когда произведен короткий резкий звук, например хлопок, то волновой импульс может быть отражен крупным препятствием, например стеной, и услышан наблюдателем. Этот отраженный импульс называется эхом. Представим, что на расстоянии 50 м от стены стоит человек и производит один хлопок. Когда эхо услышано, звук прошел 100 м. Измерение этого интервала секундомером не будет достаточно точным. Вместе с тем если второй человек держит секундомер, а первый хлопает, то время для большого числа звуков эха может быть получено с достаточной точностью.

  Предположим, что расстояние, на котором хлопающий человек находится перед стеной, составляет 50 м, а временной интервал между первым и сто первым хлопком составляет 30 с, тогда:

  скорость звука = пройденное расстояние / время одного хлопка = 100м: 30 / 100 с = 333 мс -1

  Измерение скорости звука с помощью осциллографа

  Более сложным способом прямого измерения скорости звука является применение осциллографа. Громкоговоритель испускает импульсы через равные интервалы, и они фиксируются катодно-лучевым осциллографом (см. рис.). Когда импульс получен микрофоном, он также будет зарегистрирован осциллографом. Если известны временные характеристики осциллографа, то может быть найден временной интервал между двумя импульсами.

  Замеряется расстояние между громкоговорителем и микрофоном. Скорость звука может быть найдена по формуле скорость = расстояние / время.

  Скорость звука в различных средах

  Скорость звука выше в твердых телах, чем в жидкостях, и выше в жидкостях, чем в газах. Проведенные в прошлом эксперименты на Женевском озере показали, что скорость звука в воде значительно выше, чем в воздухе. В пресной воде скорость звука составляет 1410 мс -1 , в морской воде - 1540 мс -1 . В железе скорость звука составляет примерно 5000 мс -1 .

  Посылая звуковые сигналы и отмечая временной интервал до прихода отраженного сигнала (эха), можно определить глубину моря и местонахождение косяков рыбы. Во время войны эхолоты высокочастотного звука применялись для обнаружения мин. Летучие мыши в полете используют особую форму эхосигнала для обнаружения препятствий. Летучая мышь испускает высокочастотный звук, который отражается от объекта на ее пути. Мышь слышит эхо, определяет местонахождение объекта и уклоняется от него.

  Скорость звука в воздухе зависит от атмосферных условий. Скорость звука пропорциональна квадратному корню из частного от деления давления на плотность. Изменения давлении не влияют на скорость звука в воздухе. Это связано с тем, что увеличение давления влечет за собой соответствующее увеличение плотности и отношение давления к плотности остается постоянным.

  На скорость звука в воздухе (как и в любом газе) влияют изменения температуры. Законы для газов указывают, что отношение давления к плотности пропорционально . Таким образом, скорость звука пропорциональна √T. Звуковой барьер легче преодолевать на больших высотах, потому что там ниже температура.

  На скорость звука влияют изменения влажности. Плотность водяного пара меньше плотности сухого воздуха при одинаковом давлении. Ночью, когда влажность повышается, звук распространяется быстрее. Звуки слышны более ясно тихой туманной ночью.

  Это происходит частично вследствие повышенной влажности, а частично из-за того, что в этих условиях обычно имеет место температурная инверсия, при которой звуки преломляются таким образом, что они не рассеиваются.

  Большинство людей прекрасно понимают, что такое звук. Он ассоциируется со слухом и связан с физиологическими и психологическими процессами. В головном мозге осуществляется переработка ощущений, которые поступают через органы слуха. Скорость звука зависит от многих факторов.

  Звуки, различаемые людьми

  В общем смысле слова звук - это физическое явление, которое вызывает воздействие на органы слуха. Он имеет вид продольных волн различной частоты. Люди могут слышать звук, частота которого колеблется в пределах 16-20000 Гц. Эти упругие продольные волны, которые распространяются не только в воздухе, но и в других средах, достигая уха человека, вызывают звуковые ощущения. Люди могут слышать далеко не все. Упругие волны частотой меньше 16 Гц называют инфразвуком, а выше 20000 Гц - ультразвуком. Их человеческое ухо не может слышать.

  Характеристики звука

  

  Различают две основные характеристики звука: громкость и высоту. Первая из них связана с интенсивностью упругой звуковой волны. Существует и другой важный показатель. Физической величиной, которая характеризует высоту, является частота колебаний упругой волны. При этом действует одно правило: чем она больше, тем звук выше, и наоборот. Еще одной важнейшей характеристикой является скорость звука. В разных средах она бывает различной. Она представляет собой скорость распространения упругих звуковых волн. В газовой среде этот показатель будет меньше, чем в жидкостях. Скорость звука в твердых телах самая высокая. При этом для волн продольных она всегда больше, чем для поперечных.

  Скорость распространения звуковых волн

  Этот показатель зависит от плотности среды и ее упругости. В газовых средах на него действует температура вещества. Как правило, скорость звука не зависит от амплитуды и частоты волны. В редких случаях, когда эти характеристики оказывают влияние, говорят о так называемой дисперсии. Скорость звука в парах или газах колеблется в пределах 150-1000 м/с. В жидких средах она составляет уже 750-2000 м/с, а в твердых материалах - 2000-6500 м/с. В нормальных условиях скорость звука в воздухе достигает 331 м/с. В обычной воде - 1500 м/с.

  Скорость звуковых волн в разных химических средах

  

  Скорость распространения звука в разных химических средах неодинакова. Так, в азоте она составляет 334 м/с, в воздухе - 331, в ацетилене - 327, в аммиаке - 415, в водороде - 1284, в метане - 430, в кислороде - 316, в гелии - 965, в угарном газе - 338, в углекислоте - 259, в хлоре - 206 м/с. Скорость звуковой волны в газообразных средах возрастает с повышением температуры (Т) и давления. В жидкостях она чаще всего уменьшается при увеличении Т на несколько метров за секунду. Скорость звука (м/с) в жидких средах (при температуре 20°С):

  Вода - 1490;

  Этиловый спирт - 1180;

  Бензол - 1324;

  Ртуть - 1453;

  Углерод четыреххлористый - 920;

  Глицерин - 1923.

  Из вышеуказанного правила исключением является только вода, в которой с ростом температуры увеличивается и скорость звука. Своего максимума она достигает при нагревании этой жидкости до 74°С. При дальнейшем повышении температуры скорость звука уменьшается. При увеличении давления она будет увеличиваться на 0,01%/1 Атм. В соленой морской воде с ростом температуры, глубины и солености будет повышаться и скорость звука. В других средах этот показатель изменяется по-разному. Так, в смеси жидкости и газа скорость звука зависит от концентрации ее составляющих. В изотопном твердом теле она определяется его плотностью и модулями упругости. В неограниченных плотных средах распространяются поперечные (сдвиговые) и продольные упругие волны. Скорость звука (м/с) в твердых веществах (продольной/поперечной волны):

  Стекло - 3460-4800/2380-2560;

  Плавленый кварц - 5970/3762;

  Бетон - 4200-5300/1100-1121;

  Цинк - 4170-4200/2440;

  Тефлон - 1340/*;

  Железо - 5835-5950/*;

  Золото - 3200-3240/1200;

  Алюминий - 6320/3190;

  Серебро - 3660-3700/1600-1690;

  Латунь - 4600/2080;

  Никель - 5630/2960.

  В ферромагнетиках скорость звуковой волны зависит от величины напряженности магнитного поля. В монокристаллах скорость звуковой волны (м/с) зависит от направления ее распространения:

  • рубин (продольная волна) - 11240;
  • сульфид кадмия (продольная/поперечная) - 3580/4500;
  • ниобат лития (продольная) - 7330.

  Скорость звука в вакууме равняется 0, поскольку в такой среде он просто не распространяется.

  Определение скорости звука

  

  Все то, что связано со звуковыми сигналами, интересовало наших предков еще тысячи лет назад. Над определением сущности этого явления работали практически все выдающиеся ученые древнего мира. Еще античные математики установили, что звук обуславливается колебательными движениями тела. Об этом писали Евклид и Птолемей. Аристотель установил, что скорость звука отличается конечной величиной. Первые попытки определения данного показателя были предприняты Ф. Бэконом в XVII в. Он пытался установить скорость путем сравнения временных промежутков между звуком выстрела и вспышкой света. На основании этого метода группа физиков Парижской Академии наук впервые определила скорость звуковой волны. В различных условиях эксперимента она составляла 350-390 м/с. Теоретическое обоснование скорости звука впервые в своих «Началах» рассмотрел И. Ньютон. Произвести правильное определение этого показателя получилось у П.С. Лапласа.

  Формулы скорости звука

  Для газообразных сред и жидкостей, в которых звук распространяется, как правило, адиабатически, изменение температуры, связанное с растяжениями и со сжатиями в продольной волне, не может быстро выравниваться за короткий период времени. Очевидно, что на этот показатель влияет несколько факторов. Скорость звуковой волны в однородной газовой среде или жидкости определяется по следующей формуле:

  где β - адиабатическая сжимаемость, ρ - плотность среды.

  

  В частных производных данная величина считается по такой формуле:

  c 2 = -υ 2 (δρ/δυ) S = -υ 2 Cp/Cυ (δρ/δυ) T ,

  где ρ, T, υ - давление среды, ее температура и удельный объем; S - энтропия; Cp - изобарная теплоемкость; Cυ - изохорная теплоемкость. Для газовых сред эта формула будет выглядеть таким образом:

  c 2 = ζkT/m= ζRt/M = ζR(t + 273,15)/M = ά 2 T,

  где ζ - величина адиабаты: 4/3 для многоатомных газов, 5/3 для одноатомных, 7/5 для двухатомных газов (воздух); R - газовая постоянная (универсальная); T - абсолютная температура, измеряемая в кельвинах; k - постоянная Больцмана; t - температура в °С; M - молярная масса; m - молекулярная масса; ά 2 = ζR/ M.

  Определение скорости звука в твердом теле

  В твердом теле, обладающем однородностью, существует два вида волн, различающихся поляризацией колебаний по отношению направления их распространения: поперечная (S) и продольная (P). Скорость первой (C S) всегда будет ниже, чем второй (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,

  где K, E, G - модули сжатия, Юнга, сдвига; v - коэффициент Пуассона. Во время расчета скорости звука в твердом теле используются адиабатические модули упругости.

  Скорость звука в многофазных средах

  

  В многофазных средах благодаря неупругому поглощению энергии скорость звука находится в прямой зависимости от частоты колебаний. В двухфазной пористой среде она рассчитывается по уравнениям Био-Николаевского.

  Заключение

  Измерение скорости звуковой волны используется при определении различных свойств веществ, таких как модули упругости твердого тела, сжимаемость жидкостей и газа. Чувствительным методом определения примесей является измерение малых изменений скорости звуковой волны. В твердых телах колебание этого показателя позволяет проводить исследования зонной структуры полупроводников. Скорость звука является очень важной величиной, измерение которой позволяет узнать многое о самых разных средах, телах и других объектах научных исследований. Без умения ее определять были бы невозможны многие научные открытия.

  Напечатать