SKAŅAS ĀTRUMS- elastīgā viļņa izplatīšanās ātrums vidē. Nosaka barotnes elastība un blīvums. Skriešanai, nemainot formu ar ātrumu Ar ass virzienā X, skaņas spiediens r var attēlot formā p = p(x - - ct), Kur t- laiks. Plaknes harmonijai viļņi vidē bez dispersijas un SZ. izteikts ar frekvenci w un k Floy c = w/k. Ar ātrumu Ar harmoniskā fāze izplatās. viļņi, tātad Ar sauca arī fāze S. z. Vidēs, kurās izplatīšanās laikā mainās patvaļīga viļņa forma, harmoniska. viļņi tomēr saglabā savu formu, bet fāzes ātrums dažādām frekvencēm izrādās atšķirīgs, t.i. skaņas izkliede.Šajos gadījumos tiek lietots arī jēdziens grupas ātrums. Pie lielām amplitūdām parādās nelineāri efekti (sk. Nelineārā akustika), kas izraisa izmaiņas jebkuros viļņos, ieskaitot harmoniskos: katra viļņa profila punkta izplatīšanās ātrums ir atkarīgs no spiediena šajā punktā, palielinoties spiedienam, kas izraisa viļņa formas izkropļojumus.

Skaņas ātrums gāzēs un šķidrumos. Gāzēs un šķidrumos skaņa izplatās tilpuma kompresijas-izlādes viļņu veidā. Ja izplatīšanās process notiek adiabātiski (kas, kā likums, tā arī notiek), t.i., skaņas viļņa temperatūras izmaiņām nav laika izlīdzināties pat pēc tam, kad 1 / 2 , periods siltumam no apsildāmajām (saspiestajām) zonām nav laika pāriet uz aukstajām (retāk sastopamajām) zonām, tad S. z. vienāds ar , Kur R ir spiediens vielā, ir tās blīvums un indekss s parāda, ka atvasinājums tiek ņemts pie nemainīgas entropijas. Šī S. z. sauca adiabātisks. Izteiksme S. z. var rakstīt arī vienā no šīm formām:

Kur UZ elle - adiabātisks. vielas visaptverošās saspiešanas modulis, - adiabātiskais. saspiežamība, - izotermisks saspiežamība, = - siltuma jaudu attiecība pie nemainīga spiediena un tilpuma.

Ierobežotās cietās daļās papildus garenvirziena un šķērsviļņiem ir arī citi viļņu veidi. Tādējādi tie izplatās pa cieta ķermeņa brīvo virsmu vai gar tās robežu ar citu vidi virsmas akustiskie viļņi, kura ātrums mazāks ātrumsķermeņa viļņi, kas raksturīgi konkrētam materiālam. Plāksnēm, stieņiem un citiem cietiem akustiskiem materiāliem. viļņvadi ir raksturīgi normāli viļņi Kuras ātrumu nosaka ne tikai vielas īpašības, bet arī ķermeņa ģeometrija. Tā, piemēram, S. z. garenvirziena vilnim stienī ar st, kura šķērseniskie izmēri ir daudz mazāki par skaņas viļņa garumu, atšķiras no S. z. neierobežotā vidē ar l(3. tabula):

S.z. mērīšanas metodes. var iedalīt rezonanses, interferometriskās, impulsa un optiskās (sk. Gaismas difrakcija ar ultraskaņu).Naib. Mērījumu precizitāte tiek sasniegta, izmantojot impulsa fāzes metodes. Optiskais metodes ļauj izmērīt S. z. hiperskaņas frekvencēs (līdz 10 11 -10 12 Hz). Precizitāte abs. mērījumi S. z. uz labākā aprīkojuma apm. 10 -3%, savukārt precizitāte ir relatīva. mērījumi 10-5% apmērā (piemēram, pētot atkarību Ar uz temperatūru vai magnētisku lauki vai piemaisījumu vai defektu koncentrācija).

Mērījumi S. z. tiek izmantoti, lai definētu daudzskaitļus. matērijas īpašības, piemēram, gāzu siltumietilpības attiecība, gāzu un šķidrumu saspiežamība, cieto vielu elastības moduļi, Debija temperatūra utt. (sk. Molekulārā akustika). Nelielu izmaiņu noteikšana S. z. ir jūtīgs. piemaisījumu fiksēšanas metode gāzēs un šķidrumos. Cietās vielās S. z. un tā atkarība no dažādām faktori (temperatūra, magnētiskie lauki u.c.) ļauj pētīt matērijas uzbūvi: pusvadītāju joslu struktūru, Fermi virsmas uzbūvi metālos u.c.

Lit.: Landau L. D., L i f sh i c E. M., Elastības teorija, 4. izdevums, M., 1987; viņiem, Hidrodinamika, 4. izd., M., 1988; Bergman L., un tās pielietojums zinātnē un tehnoloģijā, trans. no vācu val., 2. izd., M., 1957; Mihailovs I. G., Solovjovs V. A., Syrnikov Yu P., Molekulārās akustikas pamati, M., 1964; Tabulas skaņas ātruma aprēķināšanai jūras ūdens, L., 1965; Fiziskā akustika, red. V. Meisons, tulk. no angļu valodas, 1. sēj., A daļa, M., 1966, nod. 4; t. 4, B daļa, M., 1970, ch. 7; Koļesņikovs A.E., Ultraskaņas mērījumi, 2. izd., M., 1982; T r u e l l R., E l b a u m Ch., Ch i k B., Ultraskaņas metodes cietvielu fizikā, trans. no angļu val., M., 1972; Akustiskie kristāli, red. M. P. Šaskoļskojs, M., 1982; Krasiļņikovs V.A., Krilovs V.V., Ievads fiziskajā akustikā, M., 1984. A. L. Poļakova.

Skaņas ātrums

Skaņas viļņu galvenie raksturlielumi ietver skaņas ātrumu, tās intensitāti - tās ir skaņas viļņu objektīvās īpašības, tonis, skaļums tiek klasificēts kā subjektīvās īpašības. Subjektīvās īpašības lielā mērā ir atkarīgas no tā, kā konkrēta persona uztver skaņu, nevis no tā fiziskās īpašības skaņu.

Skaņas ātruma mērīšana iekšā cietvielas, šķidrumi un gāzes norāda, ka ātrums nav atkarīgs no vibrācijas frekvences vai skaņas viļņa garuma, t.i., skaņas viļņiem nav raksturīga dispersija. Garenvirziena un šķērsviļņi var izplatīties cietās vielās, kuru izplatīšanās ātrumu nosaka, izmantojot formulas:

kur E ir Janga modulis, G ir bīdes modulis cietās vielās. Cietās vielām garenviļņu izplatīšanās ātrums ir gandrīz divas reizes lielāks par šķērsviļņu izplatīšanās ātrumu.

Šķidrumos un gāzēs tie var izplatīties tikai gareniskie viļņi. Skaņas ātrumu ūdenī nosaka, izmantojot formulu:

K ir vielas tilpuma modulis.

Šķidrumos, paaugstinoties temperatūrai, palielinās skaņas ātrums, kas ir saistīts ar šķidruma tilpuma kompresijas pakāpes samazināšanos.

Gāzēm ir iegūta formula, kas saista to spiedienu ar blīvumu:

I. Ņūtons bija pirmais, kurš izmantoja šo formulu skaņas ātruma noteikšanai gāzēs. No formulas ir skaidrs, ka skaņas izplatīšanās ātrums gāzēs nav atkarīgs no temperatūras, tas nav atkarīgs arī no spiediena, jo, palielinoties spiedienam, palielinās arī gāzes blīvums. Formulai var piešķirt arī racionālāku formu: pamatojoties uz Mendeļejeva-Klapeirona vienādojumu:

Tad skaņas ātrums būs vienāds ar:

Formulu sauc par Ņūtona formulu. Ar tās palīdzību aprēķinātais skaņas ātrums gaisā ir 280 m/s pie 273K. Faktiskais eksperimentālais ātrums ir 330 m/s.

Šis rezultāts būtiski atšķiras no teorētiskā, un tā iemeslu noteica Laplass.

Viņš parādīja, ka skaņa gaisā izplatās adiabātiski. Skaņas viļņi gāzēs izplatās tik ātri, ka radītās lokālās tilpuma un spiediena izmaiņas gāzveida vidē notiek bez siltuma apmaiņas ar vidi. Laplass atvasināja vienādojumu skaņas ātruma noteikšanai gāzēs:

Skaņas viļņu izplatīšanās

Skaņas viļņiem izplatoties caur vidi, tie vājinās. Vides daļiņu vibrāciju amplitūda pakāpeniski samazinās, palielinoties attālumam no skaņas avota.

Viens no galvenajiem viļņu vājināšanās iemesliem ir iekšējo berzes spēku iedarbība uz barotnes daļiņām. Lai pārvarētu šos spēkus, nepārtraukti tiek izmantota svārstību kustības mehāniskā enerģija, ko pārnes vilnis. Šī enerģija pārvēršas par vides molekulu un atomu haotiskas termiskās kustības enerģiju. Tā kā viļņu enerģija ir proporcionāla svārstību amplitūdas kvadrātam, viļņiem izplatoties no skaņas avota, vienlaikus samazinoties svārstību kustības enerģijas rezervei, samazinās arī svārstību amplitūda.

Skaņu izplatīšanos atmosfērā ietekmē daudzi faktori: temperatūra plkst dažādi augstumi, gaisa plūsmas. Atbalss ir skaņa, kas atstarota no virsmas. Skaņas viļņus var atstarot no cietām virsmām, no gaisa slāņiem, kuros temperatūra atšķiras no blakus esošo slāņu temperatūras.

Skaņas ātrums- elastīgo viļņu izplatīšanās ātrums vidē: gan gareniski (gāzēs, šķidrumos vai cietās vielās), gan šķērsvirzienā, bīdes (cietās vielās). To nosaka vides elastība un blīvums: parasti skaņas ātrums gāzēs ir mazāks nekā šķidrumos, bet šķidrumos tas ir mazāks nekā cietās vielās. Tāpat gāzēs skaņas ātrums ir atkarīgs no dotās vielas temperatūras, monokristālos - no viļņu izplatīšanās virziena. Parasti nav atkarīgs no viļņa frekvences un tā amplitūdas; gadījumos, kad skaņas ātrums ir atkarīgs no frekvences, mēs runājam par skaņas izkliedi.

Enciklopēdisks YouTube

• 1 / 5

  Jau senajos autoros ir norāde, ka skaņu izraisa oscilējoša kustībaķermeņi (Ptolemajs, Eiklīds). Aristotelis atzīmē, ka skaņas ātrumam ir ierobežota vērtība, un pareizi iztēlojas skaņas būtību. Mēģinājumi eksperimentāli noteikt skaņas ātrumu datējami ar 17. gadsimta pirmo pusi. F. Bēkons izdevumā New Organon norādīja uz iespēju noteikt skaņas ātrumu, salīdzinot laika intervālus starp gaismas zibspuldzi un šāviena skaņu. Izmantojot šo metodi, dažādi pētnieki (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, Parīzes Zinātņu akadēmijas zinātnieku grupa - D. Kasīni, Dž. Pikārs, Haigenss, Rēmers) noteica skaņas ātruma vērtību. (atkarībā no eksperimenta apstākļiem 350- 390 m/s). Teorētiski jautājumu par skaņas ātrumu pirmais aplūkoja I. Ņūtons savā “Principos”. Ņūtons patiesībā uzskatīja, ka skaņas izplatība ir izotermiska, un tāpēc saņēma nepietiekamu novērtējumu. Pareizo skaņas ātruma teorētisko vērtību ieguva Laplass.

  Ātruma aprēķins šķidrumā un gāzē

  Skaņas ātrumu viendabīgā šķidrumā (vai gāzē) aprēķina pēc formulas:

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

  Daļējos atvasinājumos:

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

  Kur β (\displaystyle \beta)- barotnes adiabātiskā saspiežamība; ρ (\displaystyle\rho)- blīvums; C p (\displaystyle C_(p))- izobāriskā siltuma jauda; C v (\displaystyle C_(v))- izohoriskā siltuma jauda; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- barotnes spiediens, īpatnējais tilpums un temperatūra; s (\displaystyle s)- vides entropija.

  Šķīdumiem un citām sarežģītām fizikāli ķīmiskām sistēmām (piemēram, dabasgāze, eļļa) šie izteicieni var radīt ļoti lielu kļūdu.

  Cietās vielas

  Saskarņu klātbūtnē elastīgo enerģiju var pārnest caur virsmas viļņiem dažādi veidi, kura ātrums atšķiras no garenvirziena un šķērsviļņu ātruma. Šo svārstību enerģija var būt daudzkārt lielāka par ķermeņa viļņu enerģiju.

  Rakstā aplūkotas skaņas parādību īpašības atmosfērā: skaņas izplatīšanās ātrums gaisā, vēja un miglas ietekme uz skaņas izplatību.
  Vielas daļiņu garenvirziena vibrācijas, izplatoties caur materiālo vidi (gaisu, ūdeni un cietām vielām) un sasniedzot cilvēka ausi, izraisa sajūtas, ko sauc par skaņu.
  IN atmosfēras gaiss Vienmēr ir dažādas frekvences un stipruma skaņas viļņi. Daļu no šiem viļņiem mākslīgi rada cilvēki, un daļa skaņu ir meteoroloģiskas izcelsmes.
  Uz skaņām meteoroloģiskā izcelsme pērkons, vēja gaudošana, vadu dūkoņa, koku troksnis un šalkoņa, jūras “balss”, skaņas, krītot zemes virsma cieti un šķidri nokrišņi, sērfošanas skaņas jūru un ezeru krastos un citi.
  Skaņas izplatīšanās ātrumu atmosfērā ietekmē gaisa temperatūra un mitrums, kā arī vējš (virziens un tā stiprums). Vidēji skaņas ātrums atmosfērā ir 333 m/s. Paaugstinoties gaisa temperatūrai, skaņas ātrums nedaudz palielinās. Absolūtā gaisa mitruma izmaiņas mazāk ietekmē skaņas ātrumu.
  Skaņas ātrumu gaisā nosaka Laplasa formula:

  (1),
  kur p ir spiediens; ? - gaisa blīvums; c? - gaisa siltumietilpība pastāvīgā spiedienā; cp ir gaisa siltumietilpība nemainīgā tilpumā.
  Izmantojot gāzes stāvokļa vienādojumu, ir iespējams iegūt vairākas skaņas ātruma atkarības no meteoroloģiskajiem parametriem.
  Skaņas ātrumu sausā gaisā nosaka pēc formulas:
  c0 = 20,1 ?T m/s, (2)
  un iekšā mitrs gaiss:
  с0 = 20,1 ?ТВ m/s, (3)
  kur TV = tā sauktā akustiskā virtuālā temperatūra, ko nosaka pēc formulas TV = T (1+ 0,275 e/p).
  Gaisa temperatūrai mainoties par 1°, skaņas ātrums mainās par 0,61 m/s. Skaņas ātrums ir atkarīgs no attiecības e/p (mitruma un spiediena attiecības) vērtības, taču šī atkarība ir maza, un, piemēram, ja ūdens tvaiku elastība ir mazāka par 7 mm, to neievērojot, iegūst kļūda skaņas ātrumā nepārsniedz 0,5 m/sek.
  Plkst normāls spiediens un T = 0 °C, skaņas ātrums sausā gaisā ir 333 m/sek. Mitrā gaisā skaņas ātrumu var noteikt pēc formulas:
  c = 333 + 0,6t + 0,07e (4)
  Temperatūras diapazonā (t) no -20° līdz +30° šī formula rada skaņas ātruma kļūdu ne vairāk kā ± 0,5 m/sek. No iepriekšminētajām formulām ir skaidrs, ka skaņas ātrums palielinās, palielinoties temperatūrai un gaisa mitrumam.
  Vēja ietekme ir spēcīga: skaņas ātrums vēja virzienā palielinās, pret vēju tas samazinās. Vēja klātbūtne atmosfērā izraisa skaņas viļņa dreifēšanu, kas rada iespaidu, ka skaņas avots ir nobīdījies. Skaņas ātrumu šajā gadījumā (c1) nosaka izteiksme:
  c1 = c + U cos ?, (1)
  kur U ir vēja ātrums; ? — leņķis starp vēja virzienu novērošanas punktā un novēroto skaņas ienākšanas virzienu.
  Zinot skaņas izplatīšanās ātrumu atmosfērā, ir liela vērtība risinot vairākas problēmas mācībās augšējie slāņi atmosfēra, izmantojot akustisko metodi. Izmantojot priekšrocības vidējais ātrums skaņu atmosfērā, varat uzzināt attālumu no savas atrašanās vietas līdz vietai, kur notiek pērkons. Lai to izdarītu, jums ir jānosaka sekunžu skaits starp redzamo zibens uzliesmojumu un brīdi, kad pienāk pērkona skaņa. Tad jāreizina vidējais skaņas ātrums atmosfērā – 333 m/sek. par iegūto sekunžu skaitu.

  Šodien, iekārtojot dzīvokli, daudzi jaunie iedzīvotāji ir spiesti tērēt papildu darbs, ieskaitot skaņas izolāciju jūsu mājām, jo Izmantotie standarta materiāli ļauj tikai daļēji slēpt pašu mājās notiekošo un neinteresēties par kaimiņu komunikāciju pret paša gribu.

  Cietās vielās to ietekmē vismaz vilnim izturīgās vielas blīvums un elastība. Tāpēc, aprīkojot telpas, slānis, kas atrodas blakus nesošajai sienai, tiek padarīts skaņas necaurlaidīgs ar “pārklāšanos” augšā un apakšā. Tas ļauj samazināt decibelus dažkārt vairāk nekā 10 reizes. Pēc tam tiek uzklāti bazalta paklāji, virsū uzliktas ģipškartona loksnes, kas atstaro skaņu uz āru no dzīvokļa. Skaņas vilnim “uzlidojot” līdz šādai struktūrai, tas tiek novājināts izolatora slāņos, kas ir poraini un mīksti. Ja skaņai ir liels spēks, tad materiāli, kas to absorbē, var pat uzkarst.

  Elastīgās vielas, piemēram, ūdens, koks, metāli, labi laiž cauri, tāpēc mēs dzirdam skaistu "dziedāšanu" mūzikas instrumenti. Un dažas tautas agrāk noteica, piemēram, jātnieku pieeju, pieliekot ausi pie zemes, kas arī ir diezgan elastīga.

  

  Skaņas ātrums km ir atkarīgs no vides īpašībām, kurā tā izplatās. Jo īpaši procesu var ietekmēt tā spiediens, ķīmiskais sastāvs, temperatūra, elastība, blīvums un citi parametri. Piemēram, tērauda loksnē skaņas vilnis pārvietojas ar ātrumu 5100 metri sekundē, stiklā - ap 5000 m/s, kokā un granītā - ap 4000 m/s. Lai ātrumu pārvērstu kilometros stundā, skaitļi jāreizina ar 3600 (sekundēm stundā) un jādala ar 1000 (metri uz kilometru).

  Skaņas ātrums km collas ūdens vide atšķiras vielām ar dažādu sāļumu. Priekš saldūdens pie 10 grādiem pēc Celsija tas ir aptuveni 1450 m/s, un pie 20 grādiem pēc Celsija un tāda paša spiediena jau ir aptuveni 1490 m/s.

  Sāļai videi raksturīgs acīmredzami lielāks skaņas vibrāciju ātrums.

  Skaņas izplatība gaisā ir atkarīga arī no temperatūras. Ar šī parametra vērtību 20 skaņas viļņi pārvietojas ar ātrumu aptuveni 340 m/s, kas ir aptuveni 1200 km/h. Un pie nulles grādiem ātrums samazinās līdz 332 m/s. Atgriežoties pie mūsu dzīvokļu izolatoriem, varam uzzināt, ka tādā materiālā kā korķis, ko bieži izmanto ārējā trokšņa līmeņa samazināšanai, skaņas ātrums km ir tikai 1800 km/h (500 metri sekundē). Tas ir desmit reizes zemāks par šo raksturlielumu tērauda daļām.

  

  Skaņas vilnis ir tās vides garenvirziena vibrācija, kurā tas izplatās. Kad, piemēram, mūzikas skaņdarba melodija iziet cauri kādam šķērslim, tā skaļuma līmenis samazinās, jo mainās, tajā pašā laikā frekvence paliek nemainīga, pateicoties kam mēs dzirdam sievietes balsi kā sievietes, bet vīrieša kā vīrieša. Interesantākā vieta ir tur, kur skaņas ātrums km ir tuvu nullei. Tas ir vakuums, kurā šāda veida viļņi gandrīz neizplatās. Lai demonstrētu, kā tas darbojas, fiziķi zem pārsega novieto zvanošu modinātāju, no kura tiek izsūknēts gaiss. Jo retāks gaiss, jo klusāk atskan zvans.