Koja je brzina zvuka?

Većina ljudi razumije što je zvuk. Povezan je sa sluhom i povezan je s fiziološkim i psihološkim procesima. Mozak obrađuje senzacije koje dolaze kroz organe sluha. Brzina zvuka ovisi o mnogim čimbenicima.

Zvukovi se razlikuju po ljudima

U općem smislu, zvuk je fizički fenomen koji uzrokuje utjecaj na organe sluha. Ima oblik uzdužnih valova različitih frekvencija. Ljudi mogu čuti zvuk čija se frekvencija kreće od 16-20000 Hz. Ovi elastični uzdužni valovi, koji se šire ne samo u zraku, već iu drugim sredinama, dopiru do ljudskog uha, uzrokuju zvučne senzacije. Ljudi ne mogu sve čuti. Elastični valovi s frekvencijom manjom od 16 Hz nazivaju se infrazvukom, a iznad 20.000 Hz nazivaju se ultrazvukom. Njihovo ljudsko uho ne može čuti.

Zvučne značajke

Postoje dvije glavne karakteristike zvuka: volumen i visina. Prvi je povezan s intenzitetom elastičnosti zvučni val. Postoji još jedan važan pokazatelj. Fizička količina, koja karakterizira visinu, je frekvencija oscilacija elastični val. U ovom slučaju vrijedi jedno pravilo: što je više, to je viši zvuk i obratno. Druga važna karakteristika je brzina zvuka. U različitim okruženjima, to je drugačije. On predstavlja brzinu širenja elastičnih zvučnih valova. U plinskom okruženju, ovaj indikator će biti manji nego u tekućinama. Brzina zvuka u krutim tvarima je najveća. Štoviše, za uzdužne valove uvijek je veća nego za poprečne.

Brzina širenja zvučnih valova

Ovaj pokazatelj ovisi o gustoći medija i njegovoj elastičnosti. Na plinovita sredstva utječe temperatura tvari. U pravilu brzina zvuka ne ovisi o amplitudi i frekvenciji vala. U rijetkim slučajevima, kada ta obilježja utječu, oni govore o tzv. Disperziji. Brzina zvuka u parovima ili plinovima varira između 150-1000 m / s. U tekućim medijima, to je već 750-2000 m / s, au krutim materijalima - 2000-6500 m / s. U normalnim uvjetima brzina zvuka u zraku iznosi 331 m / s. U normalnoj vodi - 1500 m / s.

Brzina zvučnih valova u različitim kemijskim sredinama

Brzina zvuka u različitim kemijskim sredinama nije ista. Dakle, u dušiku je 334 m / s, u zraku - 331, u acetilenu - 327, u amonijaku - 415, u vodiku - 1284, u metanu - 430, u kisiku - 316, u heliju - 965, u ugljik monoksidu - 338, u ugljikovom dioksidu - 259, u kloru - 206 m / s. Brzina zvučnog vala u plinovitim medijima raste s povećanjem temperature (T) i tlaka. U tekućinama se najčešće smanjuje s povećanjem T za nekoliko metara u sekundi. Brzina zvuka (m / s) u tekućem mediju (na temperaturi od 20 ° C):

• voda - 1490;

• etil alkohol - 1180;

• benzen - 1324;

• živa - 1453;

• ugljikov tetraklorid - 920;

• glicerin - 1923.

Od gore navedenog pravila, jedini izuzetak je voda u kojoj se brzina zvuka povećava s povećanjem temperature. Svoj maksimum dostiže kada se ova tekućina zagrije na 74 ° C. S daljnjim povećanjem temperature, brzina zvuka se smanjuje. S povećanjem tlaka povećat će se za 0,01% / 1 atm. U slanoj morskoj vodi s povećanjem temperature, dubine i slanosti povećat će se brzina zvuka. U drugim sredinama ova brojka varira na različite načine. Dakle, u mješavini tekućine i plina brzina zvuka ovisi o koncentraciji njezinih komponenti. U izotopskoj krutini ona je određena njegovom gustoćom i elastičnim modulima. U neograničenim gustim medijima šire se poprečni (posmični) i uzdužni elastični valovi. Brzina zvuka (m / s) u krutim tvarima (uzdužni / poprečni val):

• staklo - 3460-4800 / 2380-2560;

• kvarc - 5970/3762;

• beton - 4200-5300 / 1100-1121;

• cink - 4170-4200 / 2440;

• Teflon - 1340 / *;

• željezo - 5835-5950 / *;

• zlato - 3200-3240 / 1200;

• aluminij - 6320/3190;

• srebro - 3660-3700 / 1600-1690;

• mjed - 4600/2080;

• Nikal - 5630/2960.

Kod feromagneta brzina zvučnog vala ovisi o veličini jakost magnetskog polja. U pojedinačnim kristalima, brzina zvučnog vala (m / s) ovisi o smjeru njegovog širenja:

• rubin (uzdužni val) - 11240;
• kadmijev sulfid (uzdužni / poprečni) - 3580/4500;
• litij niobat (uzdužni) - 7330.

Brzina zvuka u vakuumu je 0, jer se u takvom okruženju jednostavno ne širi.

Određivanje brzine zvuka

Sve što je povezano sa zvučnim signalima zainteresiralo je naše pretke prije više tisuća godina. Gotovo svi eminentni znanstvenici drevnog svijeta radili su na definiranju suštine ovog fenomena. Čak su i drevni matematičari ustanovili da je zvuk uzrokovan oscilirajućim pokretima tijela. Euclid i Ptolemy su o tome pisali. Aristotel je ustanovio da je brzina zvuka konačna. Prvi pokušaj utvrđivanja ovog pokazatelja poduzela je F. Bacon u 17. stoljeću. Pokušao je utvrditi brzinu uspoređujući vremenske intervale između zvuka kadra i bljeska svjetla. Na temelju te metode skupina fizičara Pariške akademije znanosti prvi put je odredila brzinu zvučnog vala. U različitim eksperimentalnim uvjetima iznosio je 350-390 m / s. Teoretsku utemeljenost brzine zvuka po prvi put u njihovim "Principima" razmotrio je I. Newton. Da bi se ispravilo definiranje ovog pokazatelja pokazalo u PS Laplace.

Formula brzine zvuka

Kod plinovitih medija i tekućina, u kojima se zvuk širi, u pravilu, adijabatski, promjena temperature povezana s istezanjem i kompresijom u uzdužnom valu ne može se brzo izjednačiti u kratkom vremenskom razdoblju. Očito je da na ovaj pokazatelj utječe nekoliko čimbenika. Brzina zvučnog vala u homogenom plinovitom mediju ili tekućini određena je sljedećom formulom:

c2 = 1 / βρ,

gdje je β adijabatska stišljivost, ρ je gustoća medija.

U privatnim izvedenicama ova se vrijednost izračunava prema sljedećoj formuli:

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

gdje je ρ, T, υ tlak medija, njegova temperatura i specifični volumen; S je entropija; Cp - izobarični toplinski kapacitet; Cυ - izohorični toplinski kapacitet. Za plinovite medije, ova formula će izgledati ovako:

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

gdje je ζ adijabatska vrijednost: 4/3 za poliatomske plinove, 5/3 za monatomske, 7/5 za dijatomejske plinove (zrak); R je plinska konstanta (univerzalna); T je apsolutna temperatura, izmjerena u kelvinima; k je Boltzmannova konstanta; t je temperatura u ° C; M je molarna masa; m je molekulska masa; ά ² = /R / M.

Određivanje brzine zvuka u čvrstom stanju

U čvrstom tijelu s homogenošću postoje dva tipa valova koji se razlikuju po polarizaciji oscilacija u odnosu na smjer njihovog širenja: poprečni (S) i uzdužni (P). Brzina prvog (C _S ) uvijek će biti manja 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,

gdje su K, E, G - moduli kompresije, Young, shift; v - Poissonov omjer. Prilikom izračunavanja brzine zvuka u čvrstom, koriste se adijabatski elastični moduli.

Brzina zvuka u višefaznim okruženjima

U višefaznim okolinama zbog neelastične apsorpcije energije brzina zvuka izravno ovisi o frekvenciji oscilacija. U dvofaznom poroznom mediju izračunava se prema jednadžbi Bio-Nikolaev.

zaključak

Mjerenje brzine zvučnog vala koristi se za određivanje različitih svojstava tvari, kao što su moduli elastičnosti krutine, stišljivost tekućina i plina. Osjetljiva metoda za određivanje nečistoća je mjerenje malih promjena brzine zvučnog vala. U krutim tvarima, fluktuacija ovog pokazatelja omogućuje proučavanje strukture traka poluvodiča. Brzina zvuka je vrlo važna količina, čije mjerenje omogućuje da naučite mnogo o širokom rasponu okruženja, tijela i drugih predmeta znanstvenog istraživanja. Bez sposobnosti da je definiraju, mnoga znanstvena otkrića bila bi nemoguća.