Мы знаем, что звук распросраняется по воздуху. Именно потому мы и можем слышать. В вакууме никаких звуков существовать не может. Но если звук передается по воздуху, вследствие взаимодействия его частиц, не будет ли он передаваться и другими веществами? Будет.
Распространение и скорость звука в разных средах
Звук передается не только воздухом. Наверное, все знают, что если приложить ухо к стене, то можно услышать разговоры в соседней комнате. В данном случае звук передается стеною. Звуки распространяются и в воде, и в других средах. Более того, распространение звука в различных средах происходит по-разному. Скорость звука различается в зависимости от вещества.
Любопытно, что скорость распространения звука в воде почти в четыре раза выше, чем в воздухе. То есть, рыбы слышат «быстрее», чем мы. В металлах и стекле звук распространяется еще быстрее. Это происходит потому, что звук это колебания среды, и звуковые волны передаются быстрее в средах с лучшей проводимостью.
Плотность и проводимость воды больше, чем у воздуха, но меньше, чем у металла. Соответственно, и звук передается по-разному. При переходе из одной среды в другую скорость звука меняется.
Длина звуковой волны также меняется при ее переходе из одной среды в другую. Прежней остается лишь ее частота. Но именно поэтому мы и можем различить, кто конкретно говорит даже сквозь стены.
Так как звук это колебания , то все законы и формулы для колебаний и волн хорошо применимы к звуковым колебаниям . При расчете скорости звука в воздухе следует учитывать и то, что эта скорость зависит от температуры воздуха. При увеличении температуры скорость распространения звука возрастает. При нормальных условиях скорость звукав воздухе составляет 340 344 м/с.
Звуковые волны
Звуковые волны, как известно из физики, распространяются в упругих средах. Именно поэтому звуки хорошо передаются землей. Приложив ухо к земле, можно издалека услышать звук шагов, топот копыт и так далее.
В детстве все наверняка развлекались, прикладывая ухо к рельсам. Стук колес поезда передается по рельсам на несколько километров. Для создания обратного эффекта звукопоглощения, используют мягкие и пористые материалы.
Например, чтобы защитить от посторонних звуков какое-либо помещение, либо, наоборот, чтобы не допустить выхода звуков из комнаты наружу, помещение обрабатывают, звукоизолируют. Стены, пол и потолок обивают специальными материалами на основе вспененных полимеров. В такой обивке очень быстро затихают все звуки.
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 {Cp}{Cv}}\left({\frac {\partial p}{\partial v}}\right)_{T}}}}где β {\displaystyle \beta } - адиабатическая сжимаемость среды; ρ {\displaystyle \rho } - плотность; C p {\displaystyle Cp} - изобарная теплоемкость; C v {\displaystyle Cv} - 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.
СКОРОСТЬ ЗВУКА
СКОРОСТЬ ЗВУКА
Перемещения в среде упругой при условии, что форма её профиля остаётся неизменной. Скорость гармонической волны наз. также фазовой скоростью звука. Обычно С. з.- величина постоянная для данного в-ва при заданных внеш. условиях и не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда оказывается различной для разных частот, говорят о дисперсии звука.
Для газов и жидкостей, где распространяется обычно адиабатически (т. е. изменение темп-ры, связанное со сжатиями и разряжениями в звук. волне, не успевает выравниваться за период), С. з. выражается так:
с=?(Kад/r)=?(1/bадr).
с=?(gp0/r)=?(gRT/m). (ф-ла Лапласа),
где g=Cp/Cv - отношение теплоёмкостей при постоянных давлении и объёме, р0 - среднее в среде, R - универс. , m - мол. газа. С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, как правило, чем в тв. телах, поэтому при сжижении газа С. з. возрастает. Ниже приведены значения С. з. (м/с) для нек-рых газов и жидкостей, причём в тех случаях, когда имеется дисперсия С. з., приведены её значения для малых частот, когда период звуковой волны больше, чем релаксации.
СКОРОСТЬ ЗВУКА В ГАЗАХ ПРИ 0°С И ДАВЛЕНИИ 1 ATM
Азот.........……... 334
Кислород........... 316
Воздух............ … 331
Гелий............. … 965
Водород.......... 1284
Метан............. ... 430
Аммиак............ .. 415
С. з. в газах растёт с ростом темп-ры и давления (при комнатной темп-ре относит. изменение С. з. в воздухе составляет примерно 0,17% при изменении темп-ры на 1°С). В жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростом темп-ры на неск. м/с на 1°С;
СКОРОСТЬ ЗВУКА В ЖИДКОСТЯХ ПРИ 20°С
Вода........………………..... 1490
Бензол..........………………. 1324
Спирт этиловый.....…………. 1180
Ртуть...........…………………. 1453
Глицерин....………………..... 1923
исключением из этого правила явл. вода, в к-рой С. з. увеличивается с ростом темп-ры и достигает максимума при темп-ре 74°С, а с дальнейшим ростом темп-ры уменьшается. С увеличением давления С. з. в воде увеличивается примерно на 0,01% на 1 атм. В морской воде С. з. увеличивается с ростом темп-ры, солёности и глубины, что определяет ход звук. лучей в море, в частности существование подводного звукового канала.
С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонентов смеси.
С. з. в изотропных тв. телах определяется модулями упругости в-ва и его плотностью. В неограниченной тв. среде распространяются продольные и сдвиговые (поперечные) , причём фазовая С. з. для продольной волны равна:
а для сдвиговой:
где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига, v - коэфф. Пуассона, К - модуль объёмного сжатия. Скорость распространения продольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн (см. табл.). В тв. телах огранич. размеров имеются и др. типы волн, напр. , скорость к-рых меньше сl и ct. В пластинах, стержнях и др. тв. волноводах распространяются , скорость к-рых определяется не только хар-ками в-ва, но и геом. параметрами тела. С. з. для продольной волны в тонком стержне равна сl ст= ?(Е/r). В монокрист. тв. телах С. з. зависит от направления распространения волны относительно кристаллографич. осей. Во многих в-вах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от обработки, к-рой они были подвергнуты (прокат, ковка, отжиг и т. п.). В пьезоэлектриках и сегнетоэлектриках С. з. определяется не только модулями упругости, но и пьезомодулями, а также может зависеть от напряжённости электрич. поля.
СКОРОСТЬ ЗВУКА В НЕКОТОРЫХ ТВЁРДЫХ ВЕЩЕСТВАХ
В ферромагнетиках С. з. зависит от напряжённости магн. поля.
Измерение С. з. используется для определения многих св-в в-ва, таких, как сжимаемость газов и жидкостей, твёрдых тел, дебаевская темп-ра и др. Измерение малых изменений С. з. явл. чувствит. методом определения наличия примесей в газах и жидкостях. В тв. телах измерения С. з. и её зависимости от разных факторов позволяют исследовать зонную структуру полупроводников, строение Ферми поверхностей в металлах и пр. Ряд контрольно-измерит. применений УЗ в технике осн. на измерениях С. з.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
СКОРОСТЬ ЗВУКА
Скорость распространения в среде упругой волны. с в направлении оси х, звуковоедавление 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 гармонич. волны, с наз. также фазовой С. з. В средах, в к-рых форма произвольнойволны меняется при распространении, гармонич. волны тем не менее сохраняютсвою форму, но фазовая скорость оказывается различной для разных частот, дисперсия звука. В этих случаях пользуются такжепонятием групповой скорости. При больших амплитудах упругой волныпоявляются нелинейные эффекты (см. Нелинейная акустика), приводящиек изменению любых волн, в т. ч. и гармонических: скорость распространениякаждой точки профиля волны зависит от величины давления в этой точке, возрастаяс ростом давления, что и приводит к искажению формы волны.
Скорость звука в газах и жидкостях. В газах и жидкостях звукраспространяется в виде объёмных волн сжатия - разряжения. Если процессраспространения 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) участковне успевает перейти к холодным (разреженным), то С. з. равна
, где Р -
давление в веществе,- его плотность, а индекс s
показывает, что производная берётсяпри постоянной энтропии. Эта С. з. наз. адиабатической. Выражение для С. где К ад - адиабатич. модуль всестороннего сжатия вещества,- адиабатич. сжимаемость,
- изотермич. сжимаемость,= - отношениетеплоёмкостей при постоянных давлении и объёме.В идеальном газе , где R = = 8,31 Дж/моль*К - универсальная газовая постоянная, Т - абс. -молекулярная масса газа. Это т. н. л а п л а с о в а С. з. В газе она совпадаетпо порядку величины со средней тепловой скоростью движения молекул. Величину называютн ь ю т о н о в о й С. з., она определяет С. з. при изотермич. процессераспространения, к-рый может иметь место на очень низких частотах. В большинствеслучаев С. з. соответствует лапласову значению.
С. з. в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше, В идеальных газах при заданной темп-ре С. з. не зависит от давленияи растёт с ростом темп-ры как . Изменение С. з. равно
, где и - малыеприращения скорости н темп-ры по сравнению с их значениями с
и Т.
При комнатной темп-ре относит. изменение С. з. в воздухе составляетпримерно 0,17% на 1 К. В жидкостях С. з., как правило, уменьшается с ростомтемп-ры и изменение её составляет, напр.. для ацетона -5,5 м/с*К, для этиловогоспирта -3,6 м/с * К. Исключением из этого правила является вода, в к-ройС. з. при комнатной темп-ре увеличивается с ростом темп-ры на 2,5 м/с*К, Табл. 1- Скорость звука в некоторых газах при °С*
Кислород
Углекислый газ
Йодистый водород
* Значения скорости даны для нормального давления.
Табл. 2- Скорость звука в некоторых жидкостях при 20 °С
Спирт этиловый
Четырёххлористый углерод
Глицерин
В морской воде С. з. зависит от темп-ры, солёности и глубины. Эти зависимостиимеют сложный вид. Для расчёта С. з. в море используются таблицы, рассчитанныепо эмпирия, ф-лам. Поскольку темп-pa, давление, а иногда и солёность меняютсяс глубиной, то С. з. в океане является ф-цией глубины c(z). Этазависимость существенно определяет характер распространения звука в океане(см. Гидроакустика). В частности, она определяет существование подводногозвукового канала, положение оси к-рого и др. характеристики зависятот времени года, времени суток и от география, местоположения.
В сжиженных газах С. з. увеличивается при той же темп-ре: напр., в газообразномазоте при темп-ре -195 °С она равна 176 м/с, в жидком азоте при той жетемп-ре 859 м/с, в газообразном и жидком гелии при -269 °С соответственно102 м/с и 198 м/с.
С. з. в смесях газов или жидкостей зависит от концентрации компонент. , в к-poй в качестве взята смеси, определяемая молекулярными массами компонентовс учётом их концентрации. В жидких смесях зависимость С. з. от концентрациикомпонентов имеет довольно сложный характер, к-рый связан с видом межмолекулярныхвзаимодействий. Так, в спиртоводных и кислотоводных смесях при нек-ройконцентрации имеется максимум С. измерение С. з. может использоватьсядля определения и контроля концентрации компонент смесей и растворов.
В жидком гелии С. з. увеличивается при понижении темп-ры. При фазовомпереходе в сверхтекучее состояние возникает излом на кривой зависимостиС. з. от темп-ры.
В многоатомных газах и практически во всех жидкостях имеется дисперсияС. з., причём в жидкостях она проявляется на высоких УЗ- и гиперзвуковыхчастотах.
В резинах, полимерах и каучуках С. з. зависит от хим. состава и плотностиупаковки макромолекул и растёт с увеличением частоты; в материалах этоготипа с меньшей плотностью и С. з. меньше, напр. в силиконовом каучуке С. Скорость звука в твёрдых телах. В неограниченной твёрдой средераспространяются продольные и сдвиговые (поперечные) упругие волны. В изотропномтвёрдом теле фазовая скорость для продольной волны
для сдвиговой волны
где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига,- коэф. Пуассона, К - модуль объёмного сжатия. Скорость распространенияпродольных волн всегда больше, чем скорость сдвиговых волн, причём обычновыполняется соотношение . Значения с l и c t для нек-рых изотропныхтвёрдых тел приведены в табл. 3.
Табл. 3 -Скорость звука в некоторых изотропных твёрдых телах
В монокристаллах С. з. зависит от направления распространения волныв кристалле (см. Кристаллоакустика). В тех направлениях, в к-рыхвозможно распространение чисто продольных и чисто поперечных волн, в общемслучае имеется одно значение с l и два значения c t . Если значения c t различны, то соответствующие волныиногда наз. быстрой и медленной поперечными волнами. В общем случае длякаждого направления распространения волны в кристалле могут существоватьтри смешанные волны с разными скоростями распространения, к-рые определяютсясоответствующими комбинациями модулей упругости, причём векторы колебат. Во мн. веществах С. з. зависит от наличия посторонних примесей. В полупроводникахи диэлектриках С. з. чувствительна к концентрации примесей; так, при легированииполупроводника примесью, увеличивающей число носителей тока, С. з. уменьшаетсяс увеличением концентрации; при увеличении темп-ры С. з. слабо увеличивается.
В металлах и сплавах С. з. существенно зависит от предшествующей механическойи термообработки: прокат, ковка, отжиг и т. п. Частично это явление связанос дислокациями, наличие к-рых также влияет на С. з.
Табл. 4 - Скорость звука в некоторых монокристаллах
В металлах, как правило, С. з. уменьшается с ростом темп-ры. При переходеметалла в сверхпроводящее состояние характер зависимости иной: величина дс/дТ в точке перехода меняет знак. В сильных магн. полях проявляютсянек-рые эффекты в зависимости С. з. от магн. поля, к-рые отражают особенностиповедения электронов в монокристалле металла. Так, при распространениизвука по нек-рым направлениям в кристалле появляются С. з. какф-ции магн. поля. Измерения зависимости С. з. от магн. поля являются чувствит. В пьезоэлектриках и сегнетоэлектриках наличие электромеханич. Аналогичное явление наблюдается и в магнитострикционных материалах, где наличие магнитоупругой связи приводит, кроме того, к появлениюзаметной зависимости С. з. от напряжённости магн. поля, обусловленной т. -эффектом, Е от величины магн. поля Н. ИзмененияС. з. с ростом Н могут достигать неск. процентов (иногда до десятковпроцентов). Такая же зависимость С. з. от напряжённости электрич. полянаблюдается в сегнетоэлектриках. При действии на статич. моханич. В ограниченных твёрдых телах кроме продольных и поперечных волн имеютсяи др. типы волн. Так, вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдольграницы его с др. средой распространяются поверхностные акустическиеволны, скорость к-рых меньше скорости объёмных волн, характерных дляданного материала. Для пластин, стержней и др. твёрдых акустич. волноводовхарактерны нормальные волны, скорость к-рых определяется не толькосвойствами вещества, но и геометрией тела. Так, напр., С. з. для продольнойволны в стержне с ст, поперечные размеры к-рого много меньшедлины волны звука, отличается от С. з. в неограниченной среде с l (табл. 3):
Методы измерения С. Дифракция света на ультразвуке). Наиб. точность относит. измеренийпорядка 10 -5 % (напр., при изучении зависимости с оттемп-ры или магн. поля пли от концентрации примесей или дефектов).
Измерения С. з. используются для определения мн. свойств вещества, таких, Молекулярнаяакустика). Определение малых изменений С. з. является чувствит. методомфиксирования примесей в газах и жидкостях. В твёрдых телах измерение С. 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., Ультразвуки его применение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957; МихайловИ. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М.,1964; Таблицы для расчета скорости звука в морской воде, Л., 1965; Физическаяакустика, 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., Ультразвуковыеметоды в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972; Акустические , А. Л. Полякова.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Большая советская энциклопедия
Скорость распространения звуковых волн в среде. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах (причем для сдвиговых волн скорость всегда меньше, чем для продольных). скорость звука в газах и парах от… … Большой Энциклопедический словарь
скорость звука - скорость распространения акустических волн 1. Скорость распространения упругой волны в среде. Единица измерения м/с 2. Фазовая или групповая скорость акустической волны в недисперсионном материале для данного направления распространения. }
