Скорость звучания. Что такое скорость звука

На таких элементарных и фундаментальных постоянных как звуковая и световая скорость держится наша вселенная, это аксиомы в мире физики. Понятное дело, что все мы задумывались над вопросом – от чего же зависят эти скорости? Когда мы наблюдаем молнию, то сначала видим свет, а потом до нас докатывается раскат. Почему так происходит и от чего зависит время, которое проходит от вспышки к грому? На самом деле все очень просто и легко объясняется, нужно просто вспомнить некоторые основные положения из школьного курса физики, они все расставят по своим местам, ну почти все... Но обо всем по порядку…

Чему равна скорость света

Свет распространяется - 299 792 458 м/с, в более привычном нам километровом эквиваленте это 1 079 252 848,8 км/ч, но для простоты оперирования эту сложную цифру принято округлять и считать, что она составляет 300 тысяч км/с. Скорость света - максимальная величина распространения чего-либо в нашей вселенной. Но самое интересное во всем этом то, что она абсолютно не зависит от скорости движения источника, излучающего ее. Как же обстоят дела в нашем мире? Разница темпа брошенного тела и объекта, с которого его бросили может увеличиваться или уменьшаться, в зависимости от того, в какое ускорение был совершен бросок. Давайте рассмотрим пример: вы едете на автомобиле, скорость которого составляет 100 км в час и бросаете камень по ходу движения (примем скорость запущенного камня в 10 км/ч), для стороннего наблюдателя, который стоит на обочине, камень будет лететь уже со скоростью – 110 км/ч. В данном случае скорость броска и автомобиля суммируются. Но это не касается скорости света. В какую бы сторону не летел источник, свет будет распространяться с одинаковой быстротой, он не ускорится и не замедлится. В этом и состоит парадокс. По крайней мере так думали раньше, но как же обстоят дела сейчас? Об этом немного позже…

Что быстрее - скорость света или скорость звука?

Ученым известно, что скорость света примерно в миллион раз больше звуковой. Но темп звука может меняться. Среднее его значение составляет 1450 м/с. Быстрота продвижения звука зависит от типа среды, вода это или воздух, от температуры и даже давления. Выходит, что точного значения этой величины не существует, есть лишь примерная величина в привычной для нас среде - воздухе. Касательно скорости света до сих пор ведутся целые серии экспериментов передовых ученых со всей планеты.

Какова скорость звука в воздухе

Определить скорость звука в воздухе в первый раз удалось в 1636 году ученому из Франции М. Мерсенну. Температура окружающей среды была 20 °С и при таком показателе звук летел со значением 343 м/с, в километрах - 1235 км/ч. Темп движения звука напрямую зависит от температуры окружающей среды в которой он распространяется: если температура газа растет, звук тоже начинает двигаться быстрее, соответственно, наоборот, чем ниже температура воздуха, тем медленнее распространяется звук.

Например, при нулевой температуре звук передается уже на скорости 331 м/с. Также скорость звука зависит и от типа газа. Чем больше диаметр молекул из которых состоит газ, тем медленнее двигается звук. Например, при нулевой температуре, в водороде быстрота звука составит 1284 м/с, гелии - 965 м/с. Заметная разница.

Скорость звука в вакууме

Звук по своей сути - это колебание молекул по ходу распространения. Понятно, что для того чтобы звук мог как-то передаваться, нужна среда из молекул, которые будут колебаться. В вакууме же нет никакой материи, поэтому звук там проходить не может. Но по результатам последних исследований, стало ясно, что звук может преодолеть прослойку из вакуума, толщиной мене микрона. Данное явление назвали - «вакуумное туннелирование фононов», информацию по нему появилась одновременно в двух статьях, которые появились в печатном издании «Physical Review Letters». Следует помнить, что колебание молекул кристаллической решетки переносят не один звук, но и тепловую энергию, следовательно, через вакуум можно передавать и тепло.

Скорость звука в воде

Обычно, скорость звука в жидкостях, в том числе воде, больше чем в газообразной среде. Первый замер такой стремительности в воде произвели в 1826 г. ученые Ж- Колладон и Я. Штурм. Эксперимент проходил в Швейцарии, а именно на одном из озер. Последовательность действий, по которой проходило измерение, была таковой:

1. На лодке, которая стояла на якоре, поджигали пакет с порохом и в то же время били в подводный колокол;
2. На расстоянии в 14 километров стояла вторая, наблюдательная лодка, помимо вспышки пороха, которую было видно из далека, на лодке улавливали и звук колокола посредством подводного рупора;
3. Именно по разнице времени между вспышкой и приходом звуковой волны удалось вычислить скорость звука. Тогда вода имела температуру в 8 °С и скорость звука составила 1440 м/с.

Между двумя разными средами звуковая волна ведет себя интересно. Одна ее часть заходит в другую среду, вторая попросту отражается. Если звук попадает из воздуха в жидкость, то 99,9 % его отражается, но давление в той доле звука что все-таки проходит в воду в два раза вырастает. Именно этим и пользуются рыбы. Если возле воды кричать и шуметь, хвостатые обитатели глубин быстро уйдут куда подальше.

Скорость распространения звука

Даже свет, равно как звук и электромагнитные колебания может менять свою скорость в разных физических средах. Новейшие исследования в этой области, доказали теоретическую возможность запустить тело быстрее света. Дело в том, что в некоторых газах быстрота фотонов (частички из которых состоит свет) заметно замедляются. Понятное дело, что увидеть такое явление невооруженным глазом не выйдет, но в точной науке, такой как физика, это имеет огромное значение. Так вот, ученные доказали, что, если пропустить свет через газ, его скорость снизится на столько, что быстро запущенное тело сможет двигаться быстрее фотонов.

Обсуждайте вопросы распространения звука в разных средах

Скорость звука - скорость распространения упругих волн в среде: как продольных (в газах, жидкостях или твёрдых телах), так и поперечных, сдвиговых (в твёрдых телах). Определяется упругостью и плотностью среды: как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях , а в жидкостях - меньше, чем в твёрдых телах. Также, в газах скорость звука зависит от температуры данного вещества , в монокристаллах - от направления распространения волны. Обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды ; в тех случаях, когда скорость звука зависит от частоты, говорят о дисперсии звука.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Уже у античных авторов встречается указание на то, что звук обусловлен колебательным движением тела (Птолемей , Евклид). Аристотель отмечает, что скорость звука имеет конечную величину, и правильно представляет себе природу звука . Попытки экспериментального определения скорости звука относятся к первой половине XVII в. Ф.Бэкон в «Новом органоне » указал на возможность определения скорости звука путём сравнения промежутков времени между вспышкой света и звуком выстрела. Применив этот метод, различные исследователи (М.Мерсенн , П.Гассенди , У.Дерхам , группа учёных Парижской академии наук - Д.Кассини , Ж.Пикар , Гюйгенс , Рёмер) определили значение скорости звука (в зависимости от условий экспериментов, 350-390 м/с). Теоретически вопрос о скорости звука впервые рассмотрел И.Ньютон в своих «Началах ». Ньютон фактически предполагал изотермичность распространения звука, поэтому получил заниженную оценку. Правильное теоретическое значение скорости звука было получено Лапласом .

  Расчёт скорости в жидкости и газе

  Скорость звука в однородной жидкости (или газе) вычисляется по формуле:

  c = 1 β ρ {\displaystyle c={\sqrt {\frac {1}{\beta \rho }}}}

  В частных производных:

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

  где β {\displaystyle \beta } - адиабатическая сжимаемость среды; ρ {\displaystyle \rho } - плотность; C p {\displaystyle C_{p}} - изобарная теплоемкость; C v {\displaystyle C_{v}} - изохорная теплоемкость; p {\displaystyle p} , v {\displaystyle v} , T {\displaystyle T} - давление, удельный объём и температура среды; s {\displaystyle s} - энтропия среды.

  Для растворов и других сложных физико-химических систем (например, природный газ, нефть) данные выражения могут давать очень большую погрешность.

  Твёрдые тела

  При наличии границ раздела, упругая энергия может передаваться посредством поверхностных волн различных типов, скорость которых отличается от скорости продольных и поперечных волн. Энергия этих колебаний может во много раз превосходить энергию объемных волн.

  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.

  

  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.

  Сегодня многие новоселы, обустраивая квартиру, вынуждены проводить дополнительные работы, в том числе по звукоизоляции своего жилища, т.к. применяемые стандартные материалы позволяют лишь отчасти скрыть, что творится в собственном доме, и не интересоваться против воли общением соседей.

  На в твердых телах влияет как минимум плотность и упругость вещества, противостоящего волне. Поэтому при оборудовании помещений слой, прилегающий к несущей стене, делают звукоизолирующим с «напусками» сверху и снизу. Он позволяет снизить в децибелах иногда более чем в 10 раз. Затем укладывают базальтовые маты, а сверху - гипсокартонные листы, которые отражают звук вовне от квартиры. Когда звуковая волна «подлетает» к такой конструкции, то она затухает в слоях изолятора, которые являются пористыми и мягкими. Если звук имеет большую силу, то материалы, его поглощающие, могут даже нагреваться.

  Упругие же вещества, такие, как вода, дерево, металлы, хорошо передают поэтому мы слышим прекрасное «пение» музыкальных инструментов. А некоторые народности в прошлом определяли приближение, например, всадников, прикладывая ухо к земле, которая также является достаточно упругой.

  

  Скорость звука в км зависит от характеристик той среды, в которой он распространяется. В частности, на процесс могут повлиять ее давление, химический состав, температура, упругость, плотность и другие параметры. Например, в стальном листе звуковая волна проходит со скоростью 5100 метров в секунду, в стекле - около 5000 м/с, в дереве и граните - около 4000 м/с. Для перевода скорости в километры в час нужно умножить показатели на 3600 (секунд в часе) и разделить на 1000 (метров в километре).

  Скорость звука в км в водной среде различна для веществ с разной соленостью. Для пресной воды при температуре 10 градусов Цельсия она составляет около 1450 м/с, а при температуре в 20 градусов Цельсия и том же давлении - уже около 1490 м/с.

  Соленая же среда отличается заведомо большей скоростью прохождения звуковых колебаний.

  Распространение звука в воздухе также зависит от температуры. При значении этого параметра, равном 20 звуковые волны проходят со скоростью около 340 м/с, что составляет около 1200 км/час. А при нуле градусов скорость замедляется до 332 м/с. Возвращаясь к нашим изоляторам для квартиры, мы можем узнать, что в таком материале, как пробка, которую часто используют для снижения уровня внешнего шума, скорость звука в км составляет всего 1800 км/ч (500 метров в секунду). Это в десять раз ниже этой характеристики в стальных деталях.

  

  Звуковая волна представляет собой продольное колебание среды, в которой она распространяется. При прохождении, например, мелодии музыкального произведения через какое-то препятствие, уровень его громкости понижается, т.к. изменяется При этом частота остается той же, благодаря чему мы слышим женский голос как женский, а мужской - как мужской. Самым интересным является место, где скорость звука в км близка к нулю. Это - вакуум, в котором волны такого типа почти не распространяются. Чтобы продемонстрировать, как это работает, физики помещают звенящий будильник под колпак, из которого выкачивают воздух. Чем больше разреженность воздуха, тем тише слышен звонок.