Kakšna je hitrost zvoka?

Večina ljudi razume, kaj je zvok. Povezan je s sluhom in je povezan s fiziološkimi in psihološkimi procesi. Možgani obdelujejo občutke, ki pridejo skozi organe sluha. Hitrost zvoka je odvisna od mnogih dejavnikov.

Zvoki odlikujejo ljudje

V splošnem pomenu besede je zvok fizični pojav, ki vpliva na organe sluha. Ima obliko vzdolžnih valov različnih frekvenc. Ljudje lahko slišijo zvok, katerega frekvenca je od 16 do 200 Hz. Ti elastični vzdolžni valovi, ki se širijo ne le v zrak, ampak tudi v druga okolja, ki dosežejo človeško uho, povzročajo zvočne občutke. Ljudje ne slišijo vsega. Elastični valovi s frekvenco manj kot 16 Hz se imenujejo infrazvok in nad 20.000 Hz se imenujejo ultrazvok. Njihovo človeško uho ne sliši.

Zvočne lastnosti

Obstajata dve glavni značilnosti zvoka: glasnost in smola. Prva je povezana z intenzivnostjo elastičnosti zvok. Obstaja še en pomemben kazalnik. Fizična količina, ki označuje višino, je frekvenca nihanja elastični val. V tem primeru velja eno pravilo: bolj ko je, višji je zvok in obratno. Druga pomembna značilnost je hitrost zvoka. V različnih okoljih je drugačno. Predstavlja hitrost širjenja elastičnih zvočnih valov. V plinskem okolju bo ta indikator manjši kot pri tekočinah. Hitrost zvoka v trdnih snoveh je najvišja. Poleg tega je pri vzdolžnih valovih vedno večji kot pri prečnih.

Hitrost širjenja zvočnih valov

Ta indikator je odvisen od gostote medija in njegove elastičnosti. V plinastih medijih vpliva na temperaturo snovi. Praviloma hitrost zvoka ni odvisna od amplitude in frekvence vala. V redkih primerih, ko imajo te značilnosti vpliv, govorijo o tako imenovani disperziji. Hitrost zvoka v parih ali plinih se giblje med 150-1000 m / s. V tekočih medijih je že 750-2000 m / s, v trdnih materialih - 2000-6500 m / s. V normalnih pogojih hitrost zvoka v zraku doseže 331 m / s. V normalni vodi - 1500 m / s.

Hitrost zvočnih valov v različnih kemijskih okoljih

Hitrost zvoka v različnih kemijskih okoljih ni enaka. Torej je v dušiku 334 m / s, v zraku - 331, v acetilenu - 327, v amoniaku - 415, v vodiku - 1284, v metanu - 430, v kisiku - 316, v heliju - 965, v ogljikovem monoksidu - 338, v ogljikovem dioksidu - 259, v kloru - 206 m / s. Hitrost zvočnega vala v plinastih medijih narašča z naraščanjem temperature (T) in tlaka. Pri tekočinah se najpogosteje zmanjšuje z večanjem T za nekaj metrov na sekundo. Hitrost zvoka (m / s) v tekočem mediju (pri temperaturi 20 ° C):

• voda - 1490;

• etilni alkohol - 1180;

• benzen - 1324;

• živo srebro - 1453;

• ogljikov tetraklorid - 920;

• glicerin - 1923.

Od zgoraj navedenega pravila je edina izjema voda, pri kateri se hitrost zvoka poveča s povečanjem temperature. Svoj maksimum doseže, ko se ta tekočina segreje na 74 ° C. Z nadaljnjim povišanjem temperature se hitrost zvoka zmanjša. S povečevanjem tlaka se bo povečal za 0,01% / 1 atm. V slani morski vodi s povišano temperaturo, globino in slanostjo se poveča hitrost zvoka. V drugih okoljih se ta številka razlikuje na različne načine. Torej je v zmesi tekočine in plina hitrost zvoka odvisna od koncentracije njegovih sestavin. V izotopski trdni snovi jo določajo njegova gostota in elastični moduli. V neomejeno gostem mediju se širijo prečni (strižni) in vzdolžni elastični valovi. Hitrost zvoka (m / s) v trdnih snoveh (vzdolžni / prečni val):

• steklo - 3460-4800 / 2380-2560;

• kvarčni kamen - 5970/3762;

• beton - 4200-5300 / 1100-1121;

• cink - 4170-4200 / 2440;

• Teflon - 1340 / *;

• železo - 5835-5950 / *;

• zlato - 3200-3240 / 1200;

• aluminij - 6320/3190;

• srebro - 3660-3700 / 1600-1690;

• medenina - 4600/2080;

• Nikelj - 5630/2960.

V ferromagnetih je hitrost zvočnega vala odvisna od velikosti jakost magnetnega polja. V posameznih kristalih je hitrost zvočnega vala (m / s) odvisna od smeri njegovega širjenja:

• ruby (vzdolžni val) - 11240;
• kadmijev sulfid (vzdolžni / prečni) - 3580/4500;
• litijev niobat (vzdolžni) - 7330.

Hitrost zvoka v vakuumu je 0, ker se v takšnem okolju preprosto ne širi.

Določanje hitrosti zvoka

Vse, kar je povezano z zvočnimi signali, je zanimalo naše prednike pred več tisoč leti. Skoraj vsi ugledni znanstveniki starodavnega sveta so delali na definiciji bistva tega pojava. Tudi stari matematiki so ugotovili, da zvok povzroča nihanje telesa. O tem so pisali Euclid in Ptolemy. Aristotel je ugotovil, da je hitrost zvoka končna. Prvi poskus določitve tega kazalnika je opravil F. Bacon v 17. stoletju. Poskušal je določiti hitrost s primerjavo časovnih intervalov med zvokom posnetka in bliskavico svetlobe. Na podlagi te metode je skupina fizikov Pariške akademije znanosti prvič določila hitrost zvočnega vala. V različnih eksperimentalnih pogojih je bil 350-390 m / s. Teoretično utemeljitev hitrosti zvoka prvič v njihovih "načelih" je obravnaval I. Newton. Za pravilno opredelitev tega kazalnika se je izkazalo v PS Laplace.

Formula za hitrost zvoka

Pri plinastih medijih in tekočinah, v katerih se zvok širi, praviloma adiabatično, sprememba temperature, povezana z raztezanjem in stiskanjem v vzdolžnem valu, v kratkem času ne more hitro izravnati. Očitno na ta kazalnik vpliva več dejavnikov. Hitrost zvočnega vala v homogenem plinastem mediju ali tekočini se določi z naslednjo formulo:

c ² = 1 / βρ,

kjer je β adijabatska stisljivost, ρ je gostota medija.

Pri zasebnih izvedenih finančnih instrumentih se ta vrednost izračuna po naslednji formuli:

c ² = -υ ² (δρ / δυ) _S = -υ ² Cp / Cυ (δρ / δυ) _T ,

pri čemer je ρ, T, υ tlak medija, njegova temperatura in specifična prostornina; S je entropija; Cp - izobarična toplotna zmogljivost; Cυ - izohorična toplotna kapaciteta. Za plinaste medije bo ta formula izgledala takole:

c ² = TkT / m = tRt / M = (R (t + 273,15) / M = ² T,

pri čemer je ζ adiabatska vrednost: 4/3 za poliatomske pline, 5/3 za enomaterial, 7/5 za diatomske pline (zrak); R je plinska konstanta (univerzalna); T je absolutna temperatura, izmerjena v kelvinah; k je Boltzmannova konstanta; t je temperatura v ° C; M je molska masa; m je molekulska masa; ά ² = /R / M.

Določanje hitrosti zvoka v trdnem stanju

V trdnem telesu z homogenostjo obstajata dve vrsti valov, ki se razlikujeta v polarizaciji nihanj glede na smer njihovega širjenja: prečni (S) in vzdolžni (P). Hitrost prve (C _S ) bo vedno nižja od druge (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,

kjer so K, E, G - moduli stiskanja, Young, premik; v - Poissonovo razmerje. Pri izračunu hitrosti zvoka v trdnem delu se uporabljajo adiabatski elastični moduli.

Hitrost zvoka v večfaznih okoljih

V večfaznih okoljih zaradi neelastične absorpcije energije je hitrost zvoka neposredno odvisna od frekvence nihanja. V dvofaznem poroznem mediju se izračuna po enačbah Bio-Nikolaev.

Zaključek

Merjenje hitrosti zvočnega vala se uporablja za določanje različnih lastnosti snovi, kot so moduli elastičnosti trdne snovi, stisljivost tekočin in plina. Občutljiva metoda za določanje nečistoč je merjenje majhnih sprememb v hitrosti zvočnega vala. V trdnih delcih nam fluktuacija tega indikatorja omogoča preučevanje pasovne strukture polprevodnikov. Hitrost zvoka je zelo pomembna količina, katere merjenje vam omogoča, da se veliko naučite o najrazličnejših okoljih, telesih in drugih predmetih znanstvenih raziskav. Brez zmožnosti, da bi jo opredelili, bi bilo veliko znanstvenih odkritij nemogoče.