音速

音速

音速(velocity of sound,sonic speed),也叫聲速,聲速是介質中微弱壓強擾動的傳播速度,其大小因媒質的性質和狀態而異。空氣中的音速在1個標準大氣壓和15℃的條件下約為340米/秒(約1200公里/小時)。1947年10月4日,人類首次突破音速。

基本信息

簡介

聲音的傳播聲音的傳播

音速,也叫聲速,指聲波在媒質(介質)中傳播的速度。其大小因媒質的性質和狀態而異。聲速顧名思義即是聲音的速度,唯聲音系以波的形式傳播,與一般所理解物體的速度是不同的,所以與其將音速稱為聲音的速度,倒不如將音速視為波傳遞速度的指標,音速與傳遞介質的材質狀況有絕對關係,而與發聲者本身的速度無關,而發聲者與聽者間若有相對運動關係,就形成了都卜勒效應;也由此觀點,穿/超音速時的諸多物理現象,其實與聲音無關,而是壓縮波密集累積所產生的物理現象。

傳播速度

音速也叫“聲速”,指聲波在媒質(介質)中傳播的速度。其大小因媒質的性質和狀態而異。一般說來,音速的數值在固體中比在液體中大,在液體中又比在氣體中大。空氣中的音速,在標準大氣壓條件下約為340米/秒,或1224公里/小時。音速的大小還隨大氣溫度的變化而變化,在對流層中,高度升高時,氣溫下降,音速減小。在平流層下部,氣溫不隨高度而變,音速也不變,為295.2米/秒。空氣流動的規律和飛機的空氣動力特性,在飛行速度小於音速和大於音速的情況下,具有質的差別,因此,研究航空器在大氣中的運動,音速是一個非常重要的基準值。

影響因素

(圖)音速音速

從聲源發出的聲波以一定的速度向周圍傳播,意味著聲波的能量也以一定的速度向周圍傳播。目前所知,聲波能夠在所有物質(除真空外)中傳播。其傳播速度由傳聲介質的某些物理性質,主要是力學性質所決定。例如,音速與介質的密度和彈性性質有關,因此也隨介質的溫度、壓強等狀態參量而改變。氣體中音速每秒約數百米,隨溫度升高而增大,0℃時空氣中音速為331.4米/秒,15℃時為340米/秒,溫度每升高1℃,音速約增加0.6米/秒。通常,固體介質中音速最大,液體介質中的音速較小,氣體介質中的音速最小。另外,不均勻介質中的音速處處不等。各向異性介質中的音速隨傳播方向而異。

在有些情況下音速還與聲波本身的振幅、頻率、振動方式(縱波聲速、橫波聲速等)有關。如果傳播介質的尺寸不夠大,則其邊界對音速也有影響。因此為了使音速的量值確切地表征傳聲介質的聲學特徵,不受其幾何形狀的影響,一般須規定傳聲介質的尺寸足夠大(理論上為無限大)情況下的聲波傳播速度。有時為了實用上的方便,也列出某些特殊情況下的音速,如固體細棒中的音速。

不同介質

真空 0m/s(也就是不能傳播)

空氣(15℃)340m/s

空氣(25℃)346m/s

軟木 500m/s

煤油(25℃)1324m/s

蒸餾水(25℃)1497m/s 海水(25℃)1531m/s

(棒)3750m/s

大理石 3810m/s

鋁(棒)5000m/s

鐵(棒)5200m/s

相關事例

(圖)音速音叉音速

以音叉為例,敲打音叉之後,音叉產生振動,振動中的音叉會來回推撞周圍的空氣,使得空氣的壓力時高時低,而使得空氣分子產生密部和疏部的變化,並藉由分子間的碰撞運動向外擴散出去,音叉的聲波也就向外傳出了。聲波在傳遞時,空氣分子的振動方向和波的傳遞方向是相同的,把這種波叫做“縱波”。

像空氣這種可以傳遞聲波的物質,把它們叫做“介質”。聲波一定要有介質才能傳遞出去,如果真空狀態,聲波沒有了傳播的媒質,就無法聽到聲音了。

除了空氣可以傳遞聲音之外,液體(像水)、固體(像木材、玻璃、鋼鐵)等等,也都是聲音的介質,而且因為液體、固體的分子排列得較緊密,因此傳遞聲音的速度都比空氣來得快。聲音在水中的速度大約是在空氣中的五倍,在鋼中則比空氣中快上將近二十倍。

航空領域

1964年5月11日,以每小時3200公里速度飛行的B·70轟炸機在加利福尼亞州帕默達爾北方美國飛機廠正式露面,而該飛機起飛前的研究工作並不為人所知。

在耗資13.4億美元的空軍工程中,按計畫只能再生產一架這類飛機。該機設計能力為在20000米上空飛行6000英里,它為飛機的性能創造了新的標準。但是批評者們認為它的技術是過時了的。飛機的支持者反駁說B·70開創了使用輕金屬鈦的先例,其中有6噸鈦用於飛機機體前身。可以相信,機重275噸的B·70是迄今建造的飛機最重的,由6部噴氣發動機作動力,進氣口大到足以使一個身高1.8的人直立其中。B·70將在今年夏季試飛,試飛中所得數據將用來設計商業運輸機,這種運輸機將以3倍於聲音的速度飛行。

公式

音速音速
本質上講,聲速是介質中微弱壓強擾動的傳播速度,計算公式為:
音速音速

式中ρ為介質的密度;K=dp/(dp/ρ),稱為體積彈性模量,dp、dρ分別為壓強和密度的微小變化。對於液體和固體,K和ρ隨溫度和壓強的變化很小,主要是隨介質不同而異,所以在同一介質中,聲速基本上是一個常數。對於氣體,K和ρ隨壓強和溫度的變化很大,故按體積彈性模雖的定義,以用下式計算更為方便:

音速音速

下標S表示過程是等熵的。這是因為微弱的壓強擾分理處在氣體中引起的溫度梯度和速度梯度都很小,而過程進行得很快,熱交換和摩擦力都可以略去不計。對於完全氣體的等熵過程,有,為比熱比。聲速c又可表示為:

音速音速

式中T為熱力學溫度;R為普適氣體常數。對於空氣,,R=287.14焦耳(千克·開),故米/秒。

在流動的氣體中,相對於氣流而言,微弱擾動的傳播速度也是聲速。在溫度T不為常數的流場中,各點的聲速是不一樣的,與某一點的溫度相當的聲速稱為該點的“當地聲速”。當氣流的溫度很高(如高超聲速流動),或存在有外部的激勵源時,氣體分子內部振動的動能很大,分子的離解度很高。在這種情況下,當微弱壓力波掃過使氣體溫度很快地發生變化時,氣體分子的平動能和轉動能很快就能達到相應的平衡值,但分子振動能和離解能達到新平衡態所需的特徵時間要大得多,此時在波的傳播過程中,可以認為這部分內能沒有變化,即氣體處於凍結狀態(見非平衡流動)。這時,聲速公式可表為:
音速音速
式中ct表示凍結聲速,下標q表示振動能和離解能等保持原值不變。

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