Jaka jest prędkość dźwięku?

Większość ludzi rozumie, czym jest dźwięk. Jest to związane ze słuchem i związane jest z procesami fizjologicznymi i psychologicznymi. Mózg przetwarza odczucia, które przechodzą przez narządy słuchu. Szybkość dźwięku zależy od wielu czynników.

Dźwięki wyróżniane przez ludzi

W ogólnym znaczeniu tego słowa dźwięk jest zjawiskiem fizycznym, które powoduje wpływ na narządy słuchu. Ma postać fal podłużnych o różnych częstotliwościach. Ludzie słyszą dźwięk, którego częstotliwość waha się od 16 do 200 Hz. Te elastyczne fale podłużne, które rozprzestrzeniają się nie tylko w powietrzu, ale również w innych środowiskach, docierając do ludzkiego ucha, powodują doznania dźwiękowe. Ludzie nie słyszą wszystkiego. Fale elastyczne o częstotliwości mniejszej niż 16 Hz nazywane są infradźwiękami, a powyżej 20 000 Hz - ultradźwiękami. Ich ludzkie ucho nie słyszy.

Charakterystyka dźwięku

Istnieją dwie główne cechy dźwięku: głośność i wysokość dźwięku. Pierwszy dotyczy intensywności elastycznej fala dźwiękowa. Jest jeszcze jeden ważny wskaźnik. Ilość fizyczna, która charakteryzuje wysokość, jest częstotliwość oscylacji fala sprężysta. W takim przypadku obowiązuje jedna zasada: im jest większa, tym wyższy dźwięk i na odwrót. Kolejną ważną cechą jest prędkość dźwięku. W różnych środowiskach jest inaczej. Reprezentuje prędkość propagacji sprężystych fal dźwiękowych. W środowisku gazowym wskaźnik ten będzie mniejszy niż w cieczach. Prędkość dźwięku w ciałach stałych jest najwyższa. Co więcej, dla fal podłużnych jest zawsze większa niż dla poprzecznych.

Szybkość propagacji fal dźwiękowych

Wskaźnik ten zależy od gęstości medium i jego elastyczności. W środowisku gazowym wpływ ma temperatura substancji. Z reguły prędkość dźwięku nie zależy od amplitudy i częstotliwości fali. W rzadkich przypadkach, gdy te cechy mają wpływ, mówią o tak zwanej dyspersji. Prędkość dźwięku w parach lub gazach waha się między 150-1000 m / s. W cieczach ciekłych wynosi już 750-2000 m / s, a w materiałach pełnych 2000-6500 m / s. W normalnych warunkach prędkość dźwięku w powietrzu osiąga 331 m / s. W normalnej wodzie - 1500 m / s.

Prędkość fal dźwiękowych w różnych środowiskach chemicznych

Szybkość dźwięku w różnych środowiskach chemicznych nie jest taka sama. Tak więc, w azocie wynosi 334 m / s, w powietrzu - 331, w acetylenie - 327, w amoniaku - 415, w wodorze - 1284, w metanie - 430, w tlenie - 316, w helu - 965, w tlenku węgla - 338, w dwutlenku węgla - 259, w chlodzie - 206 m / s. Prędkość fali dźwiękowej w środowisku gazowym wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (T) i ciśnienia. W cieczach najczęściej maleje wraz ze wzrostem T o kilka metrów na sekundę. Prędkość dźwięku (m / s) w cieczach (w temperaturze 20 ° C):

• woda - 1490;

• alkohol etylowy - 1180;

• benzen - 1324;

• rtęć - 1453;

• tetrachlorek węgla - 920;

• gliceryna - 1923.

Z powyższej zasady jedynym wyjątkiem jest woda, w której prędkość dźwięku wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Osiąga maksimum gdy ta ciecz jest podgrzewana do 74 ° C. Wraz z dalszym wzrostem temperatury prędkość dźwięku spada. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrośnie o 0,01% / 1 atm. W słonej wodzie morskiej o wzrastającej temperaturze, głębokości i zasoleniu zwiększy się prędkość dźwięku. W innych środowiskach liczba ta różni się na różne sposoby. Tak więc, w mieszaninie cieczy i gazu, prędkość dźwięku zależy od stężenia jego składników. W bryle izotopowej określa ją jej gęstość i moduły sprężystości. W nieograniczonych gęstych mediach rozprzestrzeniają się poprzeczne (ścinanie) i podłużne fale sprężyste. Prędkość dźwięku (m / s) w ciałach stałych (fala podłużna / poprzeczna):

• szkło - 3460-4800 / 2380-2560;

• stopiony kwarc - 5970/3762;

• beton - 4200-5300 / 1100-1121;

• cynk - 4170-4200 / 2440;

• Teflon - 1340 / *;

• żelazo - 5835-5950 / *;

• złoty - 3200-3240 / 1200;

• aluminium - 6320/3190;

• srebrny - 3660-3700 / 1600-1690;

• mosiądz - 4600/2080;

• Nikiel - 5630/2960.

W ferromagnesach prędkość fali dźwiękowej zależy od wielkości siła pola magnetycznego. W przypadku pojedynczych kryształów prędkość fali dźwiękowej (m / s) zależy od kierunku jej propagacji:

• rubin (fala podłużna) - 11240;
• siarczek kadmu (podłużny / poprzeczny) - 3580/4500;
• niobian litu (podłużny) - 7330.

Prędkość dźwięku w próżni wynosi 0, ponieważ w takim środowisku po prostu się nie rozprzestrzenia.

Określanie prędkości dźwięku

Wszystko to związane jest z sygnałami dźwiękowymi zainteresowanymi naszymi przodkami tysiące lat temu. Prawie wszyscy wybitni naukowcy starożytnego świata pracowali nad definicją istoty tego zjawiska. Nawet starożytni matematycy ustalili, że dźwięk jest spowodowany ruchami oscylującymi ciała. Pisali o tym Euclid i Ptolemeusz. Arystoteles ustalił, że prędkość dźwięku jest skończona. Pierwsze próby ustalenia tego wskaźnika zostały podjęte przez F. Bacona w XVII wieku. Próbował ustalić prędkość, porównując przedziały czasowe między dźwiękiem strzału a błyskiem światła. Opierając się na tej metodzie, grupa fizyków z Paryskiej Akademii Nauk po raz pierwszy określiła prędkość fali dźwiękowej. W różnych warunkach eksperymentalnych było to 350-390 m / s. Teoretyczne uzasadnienie prędkości dźwięku po raz pierwszy w ich "Zasadach" zostało rozważone przez I. Newtona. Aby poprawne zdefiniowanie tego wskaźnika okazało się w PS Laplace.

Formuły szybkości dźwięku

W przypadku mediów gazowych i cieczy, w których dźwięk propagowany jest z reguły adiabatycznie, zmiana temperatury związana z rozciąganiem i ściskaniem w fali podłużnej nie może szybko ustabilizować się w krótkim okresie czasu. Oczywiście na ten wskaźnik wpływa kilka czynników. Prędkość fali dźwiękowej w homogenicznym ośrodku gazowym lub w cieczy określa się za pomocą następującego wzoru:

c ² = 1 / βρ,

gdzie β to ściśliwość adiabatyczna, ρ jest gęstością ośrodka.

W przypadku prywatnych instrumentów pochodnych wartość ta jest obliczana według następującego wzoru:

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

gdzie ρ, T, υ jest ciśnieniem ośrodka, jego temperaturą i określoną objętością; S jest entropią; Cp - izobaryczna pojemność cieplna; Cυ - izochoryczna pojemność cieplna. W przypadku mediów gazowych ta formuła będzie wyglądać następująco:

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

gdzie ζ jest wartością adiabatyczną: 4/3 dla ga- tunków wieloatomowych, 5/3 dla jednoczęściowych, 7/5 dla dwuatomowych (powietrze); R jest stałą gazu (uniwersalną); T oznacza temperaturę absolutną, mierzoną w kelwinach; k jest stałą Boltzmanna; t jest temperaturą w ° C; M oznacza masę molową; m oznacza masę cząsteczkową; ά ² = ζR / M.

Określanie prędkości dźwięku w bryle

W ciele stałym o jednorodności istnieją dwa rodzaje fal, które różnią się polaryzacją oscylacji w odniesieniu do kierunku ich propagacji: poprzeczną (S) i podłużną (P). Prędkość pierwszego (C _S ) zawsze będzie niższa niż sekunda (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,

gdzie K, E, G - moduły kompresji, Young, shift; v - współczynnik Poissona. Podczas obliczania prędkości dźwięku w bryle stosuje się adiabatyczne moduły sprężyste.

Szybkość dźwięku w środowiskach wielofazowych

W środowiskach wielofazowych ze względu na nieelastyczną absorpcję energii, prędkość dźwięku jest bezpośrednio zależna od częstotliwości oscylacji. W dwufazowej porowatej pożywce oblicza się ją zgodnie z równaniami Bio-Nikolaeva.

Wniosek

Pomiar prędkości fali dźwiękowej służy do określenia różnych właściwości substancji, takich jak moduły sprężystości ciała stałego, ściśliwość cieczy i gazu. Czułym sposobem określania zanieczyszczeń jest pomiar małych zmian prędkości fali dźwiękowej. W ciałach stałych fluktuacja tego wskaźnika pozwala nam badać strukturę pasmową półprzewodników. Prędkość dźwięku to bardzo ważna ilość, której pomiar pozwala ci dużo nauczyć się o różnych środowiskach, ciałach i innych przedmiotach badań naukowych. Bez możliwości jej zdefiniowania wiele odkryć naukowych byłoby niemożliwe.