Що таке швидкість звуку?
Більшість людей прекрасно розуміють, що таке звук. Він асоціюється зі слухом і пов'язаний з фізіологічними та психологічними процесами. У головному мозку здійснюється переробка відчуттів, які надходять через органи слуху. Швидкість звуку залежить від багатьох факторів.
Звуки, розрізняє людьми
У загальному значенні слова звук - це фізичне явище, яке викликає вплив на органи слуху. Він має вигляд поздовжніх хвиль різної частоти. Люди можуть чути звук, частота якого коливається в межах 16-20000 Гц. Ці пружні поздовжні хвилі, які поширюються не тільки в повітрі, але і в інших середовищах, досягаючи вуха людини, викликають звукові відчуття. Люди можуть чути далеко не все. Пружні хвилі частотою менше 16 Гц називають інфразвуком, а вище 20000 Гц - ультразвуком. Їх людське вухо не може чути.
Характеристики звуку
Розрізняють дві основні характеристики звуку: гучність і висоту. Перша з них пов'язана з інтенсивністю пружною звукової хвилі. Існує й інший важливий показник. Фізичною величиною, яка характеризує висоту, є частота коливань пружної хвилі. При цьому діє одне правило: чим вона більше, тим звук вище, і навпаки. Ще однією найважливішою характеристикою є швидкість звуку. У різних середовищах вона буває різною. Вона являє собою швидкість поширення пружних звукових хвиль. У газовому середовищі цей показник буде менше, ніж в рідинах. Швидкість звуку в твердих тілах найвища. При цьому для хвиль поздовжніх вона завжди більше, ніж для поперечних.
Швидкість поширення звукових хвиль
Цей показник залежить від щільності середовища і її пружності. У газових середовищах на нього діє температура речовини. Як правило, швидкість звуку не залежить від амплітуди і частоти хвилі. У рідкісних випадках, коли ці характеристики впливають, говорять про так звану дисперсії. Швидкість звуку в парах або газах коливається в межах 150-1000 м / с. У рідких середовищах вона складає вже 750-2000 м / с, а в твердих матеріалах - 2000-6500 м / с. У нормальних умовах швидкість звуку в повітрі досягає 331 м / с. У звичайній воді - 1500 м / с.
Швидкість звукових хвиль в різних хімічних середовищах
Швидкість поширення звуку в різних хімічних середовищах неоднакова. Так, в азоті вона становить 334 м / с, в повітрі - 331, в ацетилені - 327, в аміаку - 415, в водні - 1284, в метані - 430, в кисні - 316, в гелії - 965, в чадному газі - 338, в углекислоте - 259, в хлорі - 206 м / с. Швидкість звукової хвилі в газоподібних середовищах зростає з підвищенням температури (Т) і тиску. У рідинах вона найчастіше зменшується при збільшенні Т на кілька метрів за секунду. Швидкість звуку (м / с) в рідких середовищах (при температурі 20 ° С):
• вода - 1490;
• етиловий спирт - 1180;
• бензол - 1324;
• ртуть - 1453;
• вуглець чотирихлористий - 920;
• гліцерин - 1923.
З вищевказаного правила винятком є лише вода, в якій із зростанням температури збільшується і швидкість звуку. Свого максимуму вона досягає при нагріванні цієї рідини до 74 ° С. При подальшому підвищенні температури швидкість звуку зменшується. При збільшенні тиску вона буде збільшуватися на 0,01% / 1 Атм. У солоній морській воді із зростанням температури, глибини і солоності буде підвищуватися і швидкість звуку. В інших середовищах цей показник змінюється по-різному. Так, в суміші рідини і газу швидкість звуку залежить від концентрації її складових. У ізотопний твердому тілі вона визначається його щільністю і модулями пружності. В необмежених щільних середовищах поширюються поперечні (зсувні) і поздовжні пружні хвилі. Швидкість звуку (м / с) в твердих речовинах (поздовжньої / поперечної хвилі):
• скло - 3460-4800 / 2380-2560;
• плавлений кварц - 5970/3762;
• бетон - 4200-5300 / 1100-1121;
• цинк - 4170-4200 / 2440;
• тефлон - 1340 / *;
• залізо - 5835-5950 / *;
• золото - 3200-3240 / 1200;
• алюміній - 6320/3190;
• срібло - 3660-3700 / 1600-1690;
• латунь - 4600/2080;
• нікель - 5630/2960.
У феромагнетиках швидкість звукової хвилі залежить від величини напруженості магнітного поля. В монокристалах швидкість звукової хвилі (м / с) залежить від напрямку її поширення:
- рубін (поздовжня хвиля) - 11240;
- сульфід кадмію (поздовжня / поперечна) - 3580/4500;
- ніобат літію (поздовжня) - 7330.
Швидкість звуку у вакуумі дорівнює 0, оскільки в такому середовищі він просто не поширюється.
Визначення швидкості звуку
Все те, що пов'язано зі звуковими сигналами, цікавило наших предків ще тисячі років тому. Над визначенням сутності цього явища працювали практично всі видатні вчені стародавнього світу. Ще античні математики встановили, що звук обумовлюється коливальними рухами тіла. Про це писали Евклід і Птолемей. Аристотель встановив, що швидкість звуку відрізняється кінцевою величиною. Перші спроби визначення даного показника були зроблені Ф. Беконом в XVII в. Він намагався встановити швидкість шляхом порівняння часових проміжків між звуком пострілу і спалахом світла. На підставі цього методу група фізиків Паризької Академії наук вперше визначила швидкість звукової хвилі. У різних умовах експерименту вона становила 350-390 м / с. Теоретичне обґрунтування швидкості звуку вперше в своїх «Засадах» розглянув І. Ньютон. Провести правильне визначення цього показника вийшло у П.С. Лапласа.
Формули швидкості звуку
Для газоподібних середовищ і рідин, в яких звук поширюється, як правило, адиабатически, зміна температури, пов'язане з розтягуваннями і зі стисками в поздовжньої хвилі, не може швидко вирівнюватися за короткий період часу. Очевидно, що на цей показник впливає декілька факторів. Швидкість звукової хвилі в однорідної газовому середовищі або рідини визначається за такою формулою:
c2 = 1 / beta-rho-,
де beta- - адіабатична стисливість, rho- - щільність середовища.
У приватних похідних дана величина вважається за такою формулою:
c2 = -upsilon-2(Delta-rho- / delta-upsilon-)S = -upsilon-2Cp / Cupsilon- (delta-rho- / delta-upsilon-)T,
де rho-, T, upsilon- - тиск середовища, її температура і питома обсяг-S - ентропія- Cp - ізобарна теплоемкость- Cupsilon- - ізохорно теплоємність. Для газових середовищ ця формула буде виглядати таким чином:
c2 = zeta-kT / m = zeta-Rt / M = zeta-R (t + 273,15) / M =?2T,
де zeta- - величина адіабати: 4/3 для багатоатомних газів, 5/3 для одноатомних, 7/5 для двохатомних газів (повітря) - R - газова постійна (універсальна) - T - абсолютна температура, вимірювана в кельвінах- k - постійна Больцмана - t - температура в ° С- M - молярна маса-m - молекулярна маса-?2 = zeta-R / M.
Визначення швидкості звуку в твердому тілі
У твердому тілі, що володіє однорідністю, існує два види хвиль, що розрізняються поляризацією коливань по відношенню напрямки їх розповсюдження: поперечна (S) і поздовжня (P). Швидкість першої (CS) Завжди буде нижчою, ніж другий (CP):
CP2 = (K + 4 / 3G) / rho- = E (1 - v) / (1 + v) (1-2v) rho-;
CS2 = G / rho- = E / 2 (1 + v) rho-,
де K, E, G - модулі стиску, Юнга, сдвіга- v - коефіцієнт Пуассона. Під час розрахунку швидкості звуку в твердому тілі використовуються адіабатичні модулі пружності.
Швидкість звуку в багатофазних середовищах
У багатофазних середовищах завдяки непружному поглинанню енергії швидкість звуку знаходиться в прямій залежності від частоти коливань. У двухфазной пористої середовищі вона розраховується за рівняннями Біо-Миколаївського.
Висновок
Вимірювання швидкості звукової хвилі використовується при визначенні різних властивостей речовин, таких як модулі пружності твердого тіла, стисливість рідин і газу. Чутливим методом визначення домішок є вимірювання малих змін швидкості звукової хвилі. У твердих тілах коливання цього показника дозволяє проводити дослідження зонної структури напівпровідників. Швидкість звуку є дуже важливою величиною, вимір якої дозволяє дізнатися багато чого про самих різних середовищах, тілах і інших об'єктах наукових досліджень. Без уміння її визначати були б неможливі багато наукових відкриттів.
