VELOCITÀ DEL SUONO- velocità di propagazione di un'onda elastica nel mezzo. Determinato dall'elasticità e dalla densità del mezzo. Per correre senza cambiare forma con la velocità Con nella direzione dell'asse X, pressione sonora R può essere rappresentato nella forma p = p(x - - ct), Dove T- tempo. Per l'armonia piana, onde in un mezzo senza dispersione e SZ. espresso in termini di frequenza w e k Floy c = sett. Con velocità Con la fase armonica si propaga. onde, quindi Con chiamato anche la fase S. z. Nei mezzi in cui la forma di un'onda arbitraria cambia durante la propagazione, armonica. le onde mantengono comunque la loro forma, ma la velocità di fase risulta essere diversa per frequenze diverse, cioè dispersione del suono.In questi casi viene utilizzato anche il concetto velocità di gruppo. A grandi ampiezze compaiono effetti non lineari (vedi. Acustica non lineare), portando a un cambiamento in qualsiasi onda, comprese quelle armoniche: la velocità di propagazione di ciascun punto del profilo d'onda dipende dalla pressione in questo punto, aumentando all'aumentare della pressione, il che porta alla distorsione della forma d'onda.

Velocità del suono nei gas e nei liquidi. Nei gas e nei liquidi il suono si propaga sotto forma di onde volumetriche di compressione-scarica. Se il processo di propagazione avviene adiabaticamente (come di regola avviene), cioè la variazione di temperatura nell'onda sonora non ha il tempo di stabilizzarsi anche dopo 1 / 2 , periodo in cui il calore dalle aree riscaldate (compresse) non ha il tempo di spostarsi verso le aree fredde (rarefatte), quindi S. z. uguale a , Dove Rè la pressione nella sostanza, è la sua densità e l'indice S mostra che la derivata è presa ad entropia costante. Questo S.z. chiamato adiabatico. Espressione per S. z. può anche essere scritto in una delle seguenti forme:

Dove A inferno - adiabatico. modulo di compressione totale della materia, - adiabatico. comprimibilità, - isotermico comprimibilità, = - il rapporto tra le capacità termiche a pressione e volume costanti.

Nei solidi delimitati, oltre alle onde longitudinali e trasversali, esistono altri tipi di onde. Pertanto, lungo la superficie libera di un corpo solido o lungo il suo confine con un altro mezzo, si propagano onde acustiche superficiali, la cui velocità meno velocità onde del corpo caratteristiche di un dato materiale. Per piastre, aste e altri materiali acustici solidi. le guide d'onda sono caratteristiche onde normali La cui velocità è determinata non solo dalle proprietà della sostanza, ma anche dalla geometria del corpo. Quindi, ad esempio, S. z. per un'onda longitudinale in un'asta con una st, le cui dimensioni trasversali sono molto più piccole della lunghezza d'onda del suono, diversa da S. z. in un ambiente senza restrizioni con l(Tabella 3):

Metodi per misurare S.z. possono essere suddivisi in risonante, interferometrico, pulsato e ottico (vedi. Diffrazione della luce mediante ultrasuoni).Naib. La precisione della misurazione viene ottenuta utilizzando metodi a fase di impulso. Ottico i metodi consentono di misurare S. z. a frequenze ipersoniche (fino a 10 11 -10 12 Hz). Precisione ass. misure S. z. sulla migliore attrezzatura ca. 10 -3%, mentre la precisione è relativa. misurazioni dell'ordine del 10 -5% (ad esempio, quando si studia la dipendenza Con sulla temperatura o magnetico campi o la concentrazione di impurità o difetti).

Misure di S. z. sono usati per definire i plurali. proprietà della materia, come il rapporto tra le capacità termiche dei gas, la comprimibilità dei gas e dei liquidi, i moduli elastici dei solidi, la temperatura di Debye, ecc. (vedi. Acustica molecolare). Determinazione di piccoli cambiamenti in S. z. è sensibile. metodo per fissare le impurità nei gas e nei liquidi. Nei solidi, la misurazione di S. z. e la sua dipendenza da diversi fattori (temperatura, campi magnetici, ecc.) permette di studiare la struttura della materia: la struttura a bande dei semiconduttori, la struttura della superficie di Fermi nei metalli, ecc.

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Velocità del suono

Le caratteristiche principali delle onde sonore includono la velocità del suono, la sua intensità: queste sono le caratteristiche oggettive delle onde sonore, l'altezza e il volume sono classificati come caratteristiche soggettive. Le caratteristiche soggettive dipendono in larga misura dalla percezione del suono da parte di una determinata persona e non da essa caratteristiche fisiche suono.

Misurare la velocità del suono solidi, liquidi e gas indicano che la velocità non dipende dalla frequenza di vibrazione o dalla lunghezza d'onda del suono, cioè le onde sonore non sono caratterizzate da dispersione. Le onde longitudinali e trasversali possono propagarsi nei solidi, la cui velocità di propagazione si trova utilizzando le formule:

dove E è il modulo di Young, G è il modulo di taglio nei solidi. Nei solidi la velocità di propagazione delle onde longitudinali è quasi il doppio della velocità di propagazione delle onde trasversali.

Nei liquidi e nei gas possono solo diffondersi onde longitudinali. La velocità del suono nell'acqua si trova utilizzando la formula:

K è il modulo di massa della sostanza.

Nei liquidi, all'aumentare della temperatura, aumenta la velocità del suono, a cui si associa una diminuzione del rapporto di compressione volumetrica del liquido.

Per i gas è stata derivata una formula che mette in relazione la loro pressione con la densità:

I. Newton fu il primo a usare questa formula per trovare la velocità del suono nei gas. Dalla formula è chiaro che la velocità di propagazione del suono nei gas non dipende dalla temperatura, non dipende nemmeno dalla pressione, poiché all'aumentare della pressione aumenta anche la densità del gas. La formula può anche avere una forma più razionale: basata sull'equazione di Mendeleev-Clapeyron:

Allora la velocità del suono sarà pari a:

La formula è chiamata formula di Newton. La velocità del suono nell'aria calcolata con il suo aiuto è di 280 m/s a 273K. La velocità sperimentale effettiva è di 330 m/s.

Questo risultato differisce notevolmente da quello teorico e la ragione di ciò è stata stabilita da Laplace.

Ha dimostrato che il suono si propaga adiabaticamente nell'aria. Le onde sonore nei gas si propagano così rapidamente che le variazioni locali di volume e pressione nel mezzo gassoso si verificano senza scambio di calore con ambiente. Laplace derivò un'equazione per trovare la velocità del suono nei gas:

Propagazione delle onde sonore

Quando le onde sonore si propagano attraverso il mezzo, vengono attenuate. L'ampiezza delle vibrazioni delle particelle del mezzo diminuisce gradualmente con l'aumentare della distanza dalla sorgente sonora.

Uno dei motivi principali dell'attenuazione delle onde è l'azione delle forze di attrito interno sulle particelle del mezzo. Per superare queste forze viene continuamente utilizzata l'energia meccanica del movimento oscillatorio trasferita dall'onda. Questa energia si trasforma nell'energia del movimento termico caotico di molecole e atomi dell'ambiente. Poiché l'energia dell'onda è proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'oscillazione, man mano che le onde si propagano dalla sorgente sonora, insieme alla diminuzione della riserva di energia del movimento oscillatorio, diminuisce anche l'ampiezza dell'oscillazione.

La propagazione dei suoni nell'atmosfera è influenzata da molti fattori: temperatura a altezze diverse, flussi d'aria. L'eco è il suono riflesso da una superficie. Le onde sonore possono essere riflesse da superfici solide, da strati d'aria in cui la temperatura è diversa dalla temperatura degli strati vicini.

Velocità del suono- la velocità di propagazione delle onde elastiche in un mezzo: sia longitudinale (nei gas, liquidi o solidi) che trasversale, di taglio (nei solidi). È determinato dall'elasticità e dalla densità del mezzo: di norma, la velocità del suono nei gas è inferiore a quella dei liquidi e nei liquidi è inferiore a quella dei solidi. Inoltre, nei gas, la velocità del suono dipende dalla temperatura di una determinata sostanza, nei cristalli singoli, dalla direzione della propagazione delle onde. Solitamente non dipende dalla frequenza dell'onda e dalla sua ampiezza; nei casi in cui la velocità del suono dipende dalla frequenza si parla di dispersione del suono.

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  Già negli autori antichi c'è un'indicazione che il suono è causato da movimento oscillatorio corpi (Tolomeo, Euclide). Aristotele nota che la velocità del suono ha un valore finito e immagina correttamente la natura del suono. I tentativi di determinare sperimentalmente la velocità del suono risalgono alla prima metà del XVII secolo. F. Bacon nel New Organon ha sottolineato la possibilità di determinare la velocità del suono confrontando gli intervalli di tempo tra un lampo di luce e il suono di uno sparo. Utilizzando questo metodo, diversi ricercatori (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, un gruppo di scienziati dell'Accademia delle Scienze di Parigi - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Roemer) hanno determinato il valore della velocità del suono (a seconda delle condizioni sperimentali, 350-390 m/s). Teoricamente, la questione della velocità del suono è stata considerata per la prima volta da I. Newton nei suoi "Principi". Newton in realtà presupponeva che la propagazione del suono fosse isoterma e quindi ricevette una sottostima. Il valore teorico corretto per la velocità del suono fu ottenuto da Laplace.

  Calcolo della velocità in liquidi e gas

  La velocità del suono in un liquido (o gas) omogeneo si calcola con la formula:

  c = 1 β ρ (\displaystyle c=(\sqrt (\frac (1)(\beta \rho ))))

  Nelle derivate parziali:

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

  Dove β (\displaystyle \beta )- comprimibilità adiabatica del mezzo; ρ (\displaystyle \rho )- densità; C p (\displaystyle C_(p))- capacità termica isobarica; C v (\displaystyle C_(v))- capacità termica isocora; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- pressione, volume specifico e temperatura del mezzo; s (\displaystyle s)- entropia del mezzo.

  Per soluzioni e altri sistemi fisico-chimici complessi (ad esempio, gas naturale, olio) queste espressioni possono dare un errore molto grande.

  Solidi

  In presenza di interfacce, l'energia elastica può essere trasferita tramite onde superficiali vari tipi, la cui velocità differisce dalla velocità delle onde longitudinali e trasversali. L'energia di queste oscillazioni può essere molte volte maggiore dell'energia delle onde corporee.

  L'articolo esamina le caratteristiche dei fenomeni sonori nell'atmosfera: la velocità di propagazione del suono nell'aria, l'influenza del vento e della nebbia sulla propagazione del suono.
  Le vibrazioni longitudinali delle particelle materiali, propagandosi attraverso il mezzo materiale (aria, acqua e solidi) e raggiungendo l'orecchio umano, provocano sensazioni chiamate suono.
  IN aria atmosferica Ci sono sempre onde sonore di diverse frequenze e intensità. Alcune di queste onde sono create artificialmente dall'uomo e alcuni suoni sono di origine meteorologica.
  Ai suoni origine meteorologica includono il tuono, l'ululato del vento, il ronzio dei cavi, il rumore e il fruscio degli alberi, la "voce" del mare, i suoni quando si cade su superficie terrestre precipitazioni solide e liquide, suoni delle onde al largo delle coste di mari e laghi e altri.
  La velocità di propagazione del suono nell'atmosfera è influenzata dalla temperatura e dall'umidità dell'aria, nonché dal vento (direzione e sua forza). In media, la velocità del suono nell'atmosfera è di 333 m/s. All’aumentare della temperatura dell’aria, la velocità del suono aumenta leggermente. I cambiamenti nell’umidità assoluta dell’aria hanno un effetto minore sulla velocità del suono.
  La velocità del suono nell'aria è determinata dalla formula di Laplace:

  (1),
  dove p è la pressione; ? - densità dell'aria; C? - capacità termica dell'aria a pressione costante; cp è la capacità termica dell'aria a volume costante.
  Utilizzando l'equazione di stato dei gas, è possibile ottenere una serie di dipendenze della velocità del suono dai parametri meteorologici.
  La velocità del suono nell'aria secca è determinata dalla formula:
  c0 = 20,1 ?T m/s, (2)
  e dentro aria umida:
  ñ0 = 20,1 ?ТВ m/s, (3)
  dove TV = la cosiddetta temperatura virtuale acustica, che è determinata dalla formula TV = T (1+ 0,275 e/p).
  Quando la temperatura dell'aria cambia di 1°, la velocità del suono cambia di 0,61 m/s. La velocità del suono dipende dal valore del rapporto e/p (rapporto tra umidità e pressione), ma questa dipendenza è piccola e, ad esempio, quando l'elasticità del vapore acqueo è inferiore a 7 mm, trascurandola si ottiene un errore nella velocità del suono non superiore a 0,5 m/sec.
  A pressione normale e T = 0 °C, la velocità del suono nell'aria secca è 333 m/sec. In aria umida, la velocità del suono può essere determinata dalla formula:
  c = 333 + 0,6t + 0,07e (4)
  Nell'intervallo di temperatura (t) da -20° a +30° questa formula dà un errore nella velocità del suono non superiore a ± 0,5 m/sec. Dalle formule di cui sopra è chiaro che la velocità del suono aumenta con l'aumentare della temperatura e dell'umidità dell'aria.
  Il vento ha una forte influenza: la velocità del suono nella direzione del vento aumenta, controvento diminuisce. La presenza di vento nell'atmosfera provoca la deriva dell'onda sonora, dando l'impressione che la sorgente sonora si sia spostata. La velocità del suono in questo caso (c1) è determinata dall'espressione:
  c1 = c + U cos ?, (1)
  dove U è la velocità del vento; ? — l'angolo tra la direzione del vento nel punto di osservazione e la direzione osservata di arrivo del suono.
  Conoscere la velocità di propagazione del suono nell'atmosfera ha grande valore quando si risolvono una serie di problemi nello studio strati superiori atmosfera utilizzando il metodo acustico. Approfittando velocità media suono nell'atmosfera, puoi scoprire la distanza dalla tua posizione al luogo in cui si verifica il tuono. Per fare ciò, è necessario determinare il numero di secondi che intercorrono tra il lampo visibile del fulmine e il momento in cui arriva il suono del tuono. Quindi è necessario moltiplicare la velocità media del suono nell'atmosfera - 333 m/sec. per il numero di secondi risultante.

  Oggi, quando si costruisce un appartamento, molti nuovi residenti sono costretti a spendere lavoro aggiuntivo, compreso l'insonorizzazione della tua casa, perché I materiali standard utilizzati consentono di nascondere solo parzialmente ciò che sta accadendo nella propria casa e di non interessarsi alla comunicazione dei vicini contro la propria volontà.

  Nei solidi, è influenzata almeno dalla densità e dall'elasticità della sostanza che resiste all'onda. Pertanto, quando si attrezzano i locali, lo strato adiacente al muro portante viene reso insonorizzato con “sovrapposizioni” nella parte superiore e inferiore. Ti consente di ridurre i decibel a volte di più di 10 volte. Quindi vengono posati i tappetini di basalto e sopra vengono posizionati i fogli di cartongesso, che riflettono il suono verso l'esterno dell'appartamento. Quando un'onda sonora “vola” verso una tale struttura, viene attenuata negli strati isolanti, che sono porosi e morbidi. Se il suono ha grande forza, quindi i materiali che lo assorbono possono addirittura riscaldarsi.

  Le sostanze elastiche, come l'acqua, il legno, i metalli, si trasmettono bene, quindi sentiamo un bel "canto" strumenti musicali. E alcuni popoli in passato determinavano l'avvicinamento, ad esempio, dei cavalieri, appoggiando l'orecchio a terra, che è anche abbastanza elastico.

  

  La velocità del suono in km dipende dalle caratteristiche del mezzo in cui si propaga. In particolare, il processo può essere influenzato dalla sua pressione, composizione chimica, temperatura, elasticità, densità e altri parametri. Ad esempio, in una lamiera di acciaio un'onda sonora viaggia alla velocità di 5100 metri al secondo, nel vetro - circa 5000 m/s, nel legno e nel granito - circa 4000 m/s. Per convertire la velocità in chilometri orari, è necessario moltiplicare i numeri per 3600 (secondi orari) e dividerli per 1000 (metri per chilometro).

  Velocità del suono in km ambiente acquatico diverso per sostanze con diversa salinità. Per acqua dolce ad una temperatura di 10 gradi Celsius è di circa 1450 m/s, ad una temperatura di 20 gradi Celsius e alla stessa pressione è già di circa 1490 m/s.

  Un ambiente salino è caratterizzato da una velocità delle vibrazioni sonore ovviamente più elevata.

  La propagazione del suono nell'aria dipende anche dalla temperatura. Con un valore di 20 per questo parametro, le onde sonore viaggiano ad una velocità di circa 340 m/s, ovvero circa 1200 km/h. E a zero gradi la velocità rallenta fino a 332 m/s. Tornando ai nostri isolanti di appartamento, possiamo apprendere che in un materiale come il sughero, che viene spesso utilizzato per ridurre i livelli di rumore esterno, la velocità del suono in km è di soli 1800 km/h (500 metri al secondo). Questa caratteristica è dieci volte inferiore a quella delle parti in acciaio.

  

  Un'onda sonora è una vibrazione longitudinale del mezzo in cui si propaga. Quando, ad esempio, la melodia di un brano musicale attraversa qualche ostacolo, il suo livello di volume diminuisce, perché cambia. Allo stesso tempo, la frequenza rimane la stessa, grazie alla quale sentiamo la voce di una donna come quella di una donna e quella di un uomo come quella di un uomo. Il luogo più interessante è dove la velocità del suono in km è prossima allo zero. Si tratta di un vuoto in cui onde di questo tipo quasi non si propagano. Per dimostrare come funziona, i fisici posizionano una sveglia che suona sotto una cappa da cui viene pompata l'aria. Più l'aria è rarefatta, più la campana si sente silenziosa.