С какой скоростью движется звук?
Скорость звука зависит от того, в какой среде он распространяется. Так, в воздухе звук движется со скоростью 344 м/c. Однако если температура, давление, влажность воздуха варьируют, то и скорость звука изменяется. Через жидкую среду, например воду, звук проходит со скоростью примерно 1500 м/c. Ещё быстрее звук движется сквозь твёрдые вещества: 2500 м/с – через твёрдые пластмассы, 5000 м/с – через сталь и примерно 6000 м/с – через некоторые виды стекла.
Может ли звук отражаться от предметов так же, как свет?
Звуковые волны отражаются от твёрдых, гладких и плоских поверхностей (стены, двери), как световые волны от зеркала. Если между возвращением отзвука (или отражения) и посылом оригинального звука проходит более 0,1 с, то мы слышим их как два раздельных звука, отражённый звук называется эхом. Если разница во времени между приходом отражённого эха и посылом звука меньше, то они смешиваются. Что увеличивает общую длительность звучания. Данное явление известно как реверберация.
Специальные звукопоглощающие комнаты изнутри полностью покрыты мягкими материалами определённой фактуры. Стены, потолки и пол улавливают почти всю звуковую энергию, и отражения звука не происходит ни в виде эха, ни в виде реверберации. Такие помещения называют глухими комнатами: все звуки в них приглушены.
Охотящиеся киты, например белухи, издают акустические щелчки, похожие на те, что рассылает летучая мышь. Эти импульсы отражаются как эхо, сообщая киту о расположенных рядом объектах.
Измерим звук
Скорость в соответствии с числом Маха
Некоторые самолёты могут летать со скоростью выше скорости звука, по шкале Маха она соответствует числу М=1. Вокруг летящего сверхзвукового самолёта образуется волна сжатия, которая распространяется в виде громкого глубокого глухого удара, известного как звуковой (когда самолёт преодолевает звуковой барьер). Удар мог бы выдать присутствие самолёта-невидимки «Стелс», бомбардировщика Б-2, поэтому такие самолёты обычно летают со скоростью чуть меньше числа М=1.
Крейсерская скорость Б-2 – примерно 700 км/ч.
Число Маха
Скорость звука можно описать по шкале Маха. Единицу измерения представляют в виде сравнительного числа отношения скорости самолёта к скорости звука в определённых условиях. Число Маха названо так по имени австрийского учёного Эрнста Маха (1838-1916).
Скорость звука в воздухе при температуре 20 градусов и стандартном давлении воздуха на уровне моря соответствует примерно 1238 км/ч. Поэтому предмет, двигающийся так же быстро, имеет скорость М=1 в числах Маха.
Очень высоко над землёй, где температура и давление воздуха ниже обычных, скорость звука составляет 1062 км/ч. Поэтому число Маха 1,5 там соответствует 1593 км/ч.
10 дБ – самые тихие звуки, которые может уловить наш слух, например тиканье часов
20 дБ – шёпот
40 дБ – спокойная беседа окружающих людей
50 дБ – телевидение или радио в среднем звуковом диапазоне
60 дБ – достаточно громкая беседа
70 дБ – домашние приборы: пылесос или домашний комбайн
80 дБ – поезд, проезжающий мимо станции
100 дБ – очень шумный станок или отбойный молоток для дорожных работ
120 дБ – взлетающий реактивный самолёт
По шкале децибелов каждый разрыв в 10 дБ означает 10-кратное увеличение энергии. Например, 60 дБ – звук, в десять раз более сильный, чем 50 дБ.
Наверное, многие из Вас слышали о таком понятии как скорость звука. Надеюсь большинство из Вас понимает, что это такое. А если даже и нет, то сейчас разберемся.
Что такое скорость?
Во-первых, нужно понимать, что скорость – это физическая величина, показывающая какое расстояние может преодолеть тело за единицу времени. Из этого определения следует, что автомобиль, движущийся со скоростью 70 км/ч, в 99% случаев может проехать 70 километров за один оборот часовой стрелки (то есть за час). 1% случаев скинем на то, что он может поломаться по дороге или дорога закончится. С машиной понятно. Вместо машины можно взять и другие объекты: человек бежит, камень летит, тушканчик прыгает и т д. Все эти тела являются реальными объектами, которые можно увидеть и даже потрогать. Но звук это ведь не камень или самолет, откуда у него скорость?
Понятие состоит из двух слов. С первым мы уже разобрались. Теперь перейдем ко второму. Что такое звук?
Звук – это то, что мы можем слышать, то есть это физическое явление. Это явление возникает в результате распространения звуковой волны в твердой, жидкой или газообразной среде. Звуковая волна очень похожа на обычную морскую волну, которую все видели вживую или по телевизору (не зря же их назвали одинаково – волна ). Но более точно можно представить звуковую волну как круги на воде, которые появляются после бросания камешка. Ведь звук распространяется во все стороны одинаково! Если Вы покричите на стакан с водой, то Вас заберут в дурку Вы сможете увидеть звук!!! В виде кругов на поверхности воды.
То есть звуковая волна – это по сути колебание атомов той среды, в которой распространяется звук. Именно поэтому от громкой музыки трясутся окна.
Теперь мы знаем, что такое скорость и что такое звук, так давайте же соединим эти понятия вместе!
Скорость звука – величина, показывающая на какое расстояние может распространиться звуковая волна за единицу времени.
Как мы уже разобрались, для движения звуковой волны необходимо (воздух, вода, твердое тело), которые будут колебаться. Именно поэтому в космосе нет звука! Так как там нет атомов (практически нет, немножко есть, но очень мало)! И самое интересное, что звук распространяется в воздухе со скоростью 340 м/с, в воде – со скоростью 1500 м/с, а в твердых телах – со скоростями 3000-6000 м/с. В этом нет ничего удивительного, так как чем меньше расстояние между атомами, тем быстрее пробежит звук.
В статье рассмотрены характеристика звуковых явлений в атмосфере: скорость распространения звука в воздухе, влияние на распространение звука ветра, тумана.
Продольные колебания частиц материи, распространяясь по материальной среде (по воздуху, воде и твердым телам) и достигнув уха человека, вызывают ощущения, называемые звуком.
В атмосферном воздухе всегда находятся звуковые волны различной частоты и силы. Часть этих волн создается искусственно человеком, а часть звуков имеет метеорологическое происхождение.
К звукам метеорологического происхождения относятся гром, завывание ветра, гудение проводов, шум и шелест деревьев, «голос» моря, звуки при падении на земную поверхность твердых и жидких осадков, звуки прибоя у берегов морей и озер и другие.
На скорость распространения звука в атмосфере влияет температура и влажность воздуха, а также ветер (направление и его сила). В среднем скорость звука в атмосфере равна 333 м/с. С увеличением температуры воздуха скорость звука несколько возрастает. Изменение абсолютной влажности воздуха оказывает меньшее влияние на скорость звука.
Скорость звука в воздухе определяется формулой Лапласа:
(1),
где р - давление; ? - плотность воздуха; c? - теплоемкость воздуха при постоянном давлении; cp - теплоемкость воздуха при постоянном объеме.
Используя уравнение состояния газа, можно получить ряд зависимостей скорости звука от метеорологических параметров.
Скорость звука в сухом воздухе определяется по формуле:
с0 = 20,1 ?Т м/с, (2)
а во влажном воздухе:
с0 = 20,1 ?ТВ м/с, (3)
где ТВ = так называемая акустическая виртуальная температура, которая определяется по формуле ТВ = Т (1+ 0,275 е/р).
При изменении температуры воздуха на 1° скорость звука изменяется на 0,61 м/с. Скорость звука зависит от величины отношения е/р (отношение влажности к давлению), но эта зависимость мала, и, например, при упругости водяного пара менее 7мм пренебрежение ею дает ошибку в скорости звука, не превышающую 0,5 м/сек.
При нормальном давлении и Т = 0 °С скорость звука в сухом воздухе равна 333 м/сек. Во влажном воздухе скорость звука может быть определена по формуле:
с = 333 + 0,6t + 0,07е (4)
В диапазоне температур (t) от -20° до +30° эта формула дает ошибку в скорости звука не более ± 0,5 м/сек. Из приведенных формул видно, что скорость звука повышается с повышением температуры и влажности воздуха.
Ветер оказывает сильное влияние: скорость звука по направлению движения ветра увеличивается, против ветра — уменьшается. Наличие ветра в атмосфере вызывает дрейф звуковой волны, что создает впечатление смещения источника звука. Скорость звука в этом случае (c1) определится выражением:
c1 = c + U cos ?, (1)
где U-скорость ветра; ? — угол между направлением ветра в точке наблюдения и наблюдаемым направлением прихода звука.
Знание величины скорости распространения звука в атмосфере имеет большое значение при решении ряда задач по изучению верхних слоев атмосферы акустическим методом. Пользуясь средней скоростью звука в атмосфере, можно узнать расстояние от своего местонахождения до места возникновения грома. Для этого нужно определить число секунд между видимой вспышкой молнии и моментом прихода звука грома. Затем надо умножить среднее значение скорости звука в атмосфере — 333 м/сек. на полученное число секунд.
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.
СКОРОСТЬ ЗВУКА - скорость распространения в среде упругой волны. Определяется упругостью и плотностью среды. Для , бегущей без изменения формы со скоростью с в направлении оси х , звуковое давление р можно представить в виде р = р(х - - ct) , где t - время. Для плоской гармония, волны в среде без дисперсии и С. з. выражается через частоту w и k ф-лой с = w/k. Со скоростью с распространяется фаза гармонич. волны, поэтому с наз. также фазовой С. з. В средах, в к-рых форма произвольной волны меняется при распространении, гармонич. волны тем не менее сохраняют свою форму, но фазовая скорость оказывается различной для разных частот, т. е. имеет место дисперсия звука .В этих случаях пользуются также понятием групповой скорости . При больших амплитудах появляются нелинейные эффекты (см. Нелинейная акустика ),приводящие к изменению любых волн, в т. ч. и гармонических: скорость распространения каждой точки профиля волны зависит от величины давления в этой точке, возрастая с ростом давления, что и приводит к искажению формы волны.
Скорость звука в газах и жидкостях
. В газах и жидкостях звук
распространяется в виде объёмных волн сжатия - разряжения. Если процесс
распространения происходит адиабатически (что, как правило, и имеет место),
т. е. изменение темп-ры в звуковой волне не успевает выравниваться и за
1 / 2
, периода тепло из нагретых (сжатых) участков
не успевает перейти к холодным (разреженным), то С. з. равна
, где Р
- давление в веществе,
- его плотность, а индекс s
показывает, что производная берётся
при постоянной энтропии. Эта С. з. наз. адиабатической. Выражение для С.
з. может быть записано также в одной из следующих форм:
где К
ад - адиабатич. модуль всестороннего сжатия вещества,
- адиабатич. сжимаемость,
- изотермич. сжимаемость,
= - отношение
теплоёмкостей при постоянных давлении и объёме.
В ограниченных твёрдых телах кроме продольных и поперечных волн имеются
и др. типы волн. Так, вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдоль
границы его с др. средой распространяются поверхностные акустические
волны
, скорость к-рых меньше скорости объёмных волн, характерных для
данного материала. Для пластин, стержней и др. твёрдых акустич. волноводов
характерны нормальные волны
,скорость к-рых определяется не только
свойствами вещества, но и геометрией тела. Так, напр., С. з. для продольной
волны в стержне с ст, поперечные размеры к-рого много меньше
длины волны звука, отличается от С. з. в неограниченной среде с l
(табл. 3):
Методы измерения С.з. можно подразделить на резонансные, интерферометрические, импульсные и оптические (см. Дифракция света на ультразвуке ).Наиб. точности измерения достигают с помощью импульсно-фазовых методов. Оптич. методы дают возможность измерять С. з. на гиперзвуковых частотах (вплоть до 10 11 -10 12 Гц). Точность абс. измерений С. з. на лучшей аппаратуре ок. 10 -3 % , тогда как точность относит. измерений порядка 10 -5 % (напр., при изучении зависимости с от темп-ры или магн. поля пли от концентрации примесей или дефектов).
Измерения С. з. используются для определения мн. свойств вещества, таких, как величина отношения теплоёмкостей для газов, сжимаемости газов и жидкостей, модулей упругости твёрдых тел, дебаевской темп-ры и др. (см. Молекулярная акустика) . Определение малых изменений С. з. является чувствит. методом фиксирования примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерение С. з. и её зависимости от разл. факторов (темп-ры, магн. поля и др.) позволяет исследовать строение вещества: зонную структуру полупроводников, строение поверхности Ферми в металлах и пр.
Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Теория упругости, 4 изд., М., 1987; их же, Гидродинамика, 4 изд., М., 1988; Бергман Л., и его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Таблицы для расчета скорости звука в морской воде, Л., 1965; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966, гл. 4; т. 4, ч. Б, М., 1970, гл. 7; Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, 2 изд., М., 1982; Т р у э л л Р., Э л ь б а у м Ч., Ч и к Б., Ультразвуковые методы в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972; Акустические кристаллы, под ред. М. П. Шаскольской, М., 1982; Красильни ков В. А., Крылов В. В., Введение в физическую акустику, М., 1984. А. Л. Полякова .