Jaká je rychlost zvuku?

13. 3. 2020

Většina lidí pochopí, co je to zvuk. Je spojena se sluchem a je spojena s fyziologickými a psychologickými procesy. Mozek zpracovává pocity, které procházejí orgány sluchu. Rychlost zvuku závisí na mnoha faktorech.

Zvuky se liší lidmi

Rychlost zvuku Ve všeobecném smyslu slova je zvuk fyzickým jevem, který působí na sluchové orgány. Má podobu podélných vln různých frekvencí. Lidé mohou slyšet zvuk, jehož frekvence se pohybuje od 16 do 200 Hz. Tyto pružné podélné vlny, které se šíří nejen ve vzduchu, ale také v jiných prostředích, které dosahují lidského ucha, způsobují zvukové pocity. Lidé nemohou slyšet všechno. Elastické vlny s frekvencí menší než 16 Hz se nazývají infrazvuk a nad 20 000 Hz se nazývají ultrazvuk. Jejich lidské ucho neslyší.

Zvuková charakteristika

Rychlost šíření zvuku Existují dvě hlavní charakteristiky zvuku: objem a rozteč. První z nich souvisí s intenzitou pružnosti zvuková vlna. Existuje další důležitý ukazatel. Fyzikální veličina, která charakterizuje výšku, je frekvence oscilací elastická vlna. V tomto případě platí jedno pravidlo: čím více je, tím vyšší je zvuk a naopak. Další důležitou vlastností je rychlost zvuku. V různých prostředích je to jiné. Představuje rychlost šíření elastických zvukových vln. V plynném prostředí bude tento indikátor nižší než u kapalin. Rychlost zvuku v pevných látkách je nejvyšší. Navíc je pro podélné vlny vždy větší než pro příčné vlny.

Rychlost šíření zvukových vln

Tento indikátor závisí na hustotě média a jeho pružnosti. V plynových médiích je ovlivněna teplotou látky. Rychlost zvuku zpravidla nezávisí na amplitudě a frekvenci vlny. Ve vzácných případech, kdy mají tyto charakteristiky dopad, hovoří o tzv. Disperzi. Rychlost zvuku v párech nebo plynech se pohybuje mezi 150-1000 m / s. V kapalných médiích je již 750-2000 m / s, v pevných materiálech - 2000-6500 m / s. Za normálních podmínek dosahuje rychlost zvuku ve vzduchu 331 m / s. V normální vodě - 1500 m / s.

Rychlost zvukových vln v různých chemických prostředích

Rychlost zvuku ve vakuu

Rychlost zvuku v různých chemických prostředích není stejná. Takže v dusíku je 334 m / s, ve vzduchu - 331, v acetylenu - 327, v amoniaku - 415, v vodíku - 1284, v metanu - 430, v kyslíku - 316, v héliu - 965 v oxidu uhelnatém - 338, v oxidu uhličitém - 259, v chlóru - 206 m / s. Rychlost zvukové vlny v plynném médiu se zvyšuje se zvyšující se teplotou (T) a tlakem. V tekutinách nejčastěji klesá s rostoucím T o několik metrů za sekundu. Rychlost zvuku (m / s) v kapalném médiu (při teplotě 20 ° C):

• voda - 1490;

• ethylalkohol - 1180;

• benzen - 1324;

• rtuť - 1453;

• chlorid uhličitý - 920;

• glycerin - 1923.

Z výše uvedeného pravidla je jedinou výjimkou voda, při níž se rychlost stoupá se zvyšující se teplotou. Dosáhne svého maxima, když se tato kapalina zahřeje na teplotu 74 ° C. Při dalším zvyšování teploty klesá rychlost zvuku. S rostoucím tlakem se zvýší o 0,01% / 1 atm. Ve slané mořské vodě se zvyšující se teplotou, hloubkou a slaností se zvyšuje rychlost zvuku. V jiných prostředích se toto číslo liší různými způsoby. Takže ve směsi kapaliny a plynu, rychlost zvuku závisí na koncentraci jeho součástí. V isotopové pevné látce je určena jeho hustotou a elastickými moduly. V neomezeném hustém prostředí se šíří příčné (smykové) a podélné elastické vlny. Rychlost zvuku (m / s) v pevné látce (podélná / příčná vlna):

• sklo - 3460-4800 / 2380-2560;

• roztavený křemen - 5970/3762;

• beton - 4200-5300 / 1100-1121;

• zinek - 4170-4200 / 2440;

• Teflon - 1340 / *;

• žehlička - 5835-5950 / *;

• zlato - 3200-3240 / 1200;

• hliník - 6320/3190;

• stříbro - 3660-3700 / 1600-1690;

• mosaz - 4600/2080;

• Nikl - 5630/2960.

U feromagnetů závisí rychlost zvukové vlny na velikosti intenzita magnetického pole. V jednotlivých krystalech závisí rychlost zvukové vlny (m / s) na směru jejího šíření:

  • rubín (podélná vlna) - 11240;
  • sulfid kadmia (podélný / příčný) - 3580/4500;
  • niobičitan lithný (podélný) - 7330.

Rychlost zvuku ve vakuu je 0, protože v takovém prostředí se prostě nerozšíří.

Určení rychlosti zvuku

Rychlost zvuku

Všechno, co je spojeno se zvukovými signály, které se zajímají před tisíci lety. Téměř všichni významní vědci antického světa pracovali na definici podstaty tohoto jevu. Dokonce i dávní matematici zjistili, že zvuk je způsoben oscilačními pohyby těla. Euclid a Ptolemy o tom napsali. Aristotle zjistil, že rychlost zvuku je konečná. První pokus o určení tohoto ukazatele provedl F. Bacon v 17. století. Snažil se stanovit rychlost srovnáním časových intervalů mezi zvukem záběru a zábleskem světla. Na základě této metody skupina fyziků Pařížské akademie věd poprvé určila rychlost zvukové vlny. V různých experimentálních podmínkách to bylo 350-390 m / s. Teoretické zdůvodnění rychlosti zvuku poprvé v jejich "Principech" považoval I. Newton. Aby bylo správné vymezení tohoto indikátoru provedeno v PS Laplace.

Formule rychlosti zvuku

U plynných médií a kapalin, u kterých se zvuk šíří zpravidla adiabaticky, se změna teploty spojená s protažením a stlačením v podélné vlně nemůže v krátké době rychle vyrovnat. Je zřejmé, že tento ukazatel ovlivňuje několik faktorů. Rychlost zvukové vlny v homogenním plynném médiu nebo kapalině se stanoví podle následujícího vzorce:

c 2 = 1 / p,

kde β je adiabatická stlačitelnost, ρ je hustota média.

Rychlost šíření zvuku V soukromých derivátech se tato hodnota vypočte podle následujícího vzorce:

c2 = -u2 (δp / d) S = -u2 Cp / Cu (δp / d) T ,

kde ρ, T, υ je tlak média, jeho teplota a specifický objem; S je entropie; Cp - izobarická tepelná kapacita; Cis - izochorická tepelná kapacita. Pro plynná média bude tento vzorec vypadat takto:

c 2 = ζkT / m = zRt / M = zR (t + 273,15) / M = 2 T,

kde ζ je adiabatická hodnota: 4/3 pro polyatomické plyny, 5/3 pro monatomické, 7/5 pro diatomické plyny (vzduch); R je plynová konstanta (univerzální); T je absolutní teplota měřená v kelvinech; k je Boltzmannova konstanta; t je teplota v ° C; M je molární hmotnost; m je molekulová hmotnost; α 2 = ζR / M.

Určení rychlosti zvuku v pevném stavu

V pevném těle s homogenitou existují dva typy vln, které se liší v polarizaci kmitů vzhledem ke směru jejich šíření: příčný (S) a podélný (P). Rychlost prvního (C S ) bude vždy nižší než druhá (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,

kde K, E, G - moduly komprese, Young, shift; v - Poissonův poměr. Při výpočtu rychlosti zvuku v pevném adiabatickém modulu jsou použity elastické moduly.

Rychlost zvuku v vícefázových prostředích

Rychlost zvuku v mořské vodě V vícefázových prostředích v důsledku nepružné absorpce energie je rychlost zvuku přímo závislá na frekvenci oscilace. V dvoufázovém porézním médiu se vypočte podle rovnic Bio-Nikolaev.

Závěr

Měření rychlosti zvukové vlny se používá při určování různých vlastností látek, jako jsou pružné moduly pevných látek, stlačitelnost kapalin a plynu. Citlivou metodou pro stanovení nečistot je měřit malé změny rychlosti zvukové vlny. V pevné fázi kolísání tohoto ukazatele nám umožňuje studovat strukturu polovodičů. Rychlost zvuku je velice důležité množství, jehož měření vám dovoluje naučit se hodně o široké škále prostředí, těles a dalších objektech vědeckého výzkumu. Bez schopnosti definovat je mnoho vědeckých objevů nemožné.