音速

學科 | 自然科學 | 物理學 | 聲波在媒質中傳播的速度

音速也叫聲速,指聲波在媒質(介質)中傳播的速度。

簡介

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,由于聲音是以波的形式傳播,故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關,而與聲源本身的速度無關,發聲者與聽者間若有相對運動關系,就形成了都卜勒效應。

當發聲體 跨音速飛行 時,會產生“激波”,這其實與聲音無關,而是壓縮空氣波密集累積所產生的物理現象。

傳播速度

音速的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,即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,在飛行速度小于音速和大于音速的情況下,具有巨大的差別,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 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(除真空之外)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征,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情況下的聲波傳播速度。有時為了方便,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

以下為不同介質中的聲速:

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;

銅(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 為例,敲打音叉之后,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,并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并不為人所知。

在耗資13.4億美元的空軍工程中,按計劃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噸鈦用于飛機機體前身。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于1964年9月21日首次試飛,而在后續飛行測試過程創下21500米高度,3倍音速巡航速度的世界紀錄。

雖然擁有當時最先進的技術概念與驚人的實力,但進入1960年代后地對空導彈的技術逐漸提升,對B-70的潛在威脅大增,再加上昂貴的開發費用使得它在經濟效益上比不過作用類似的洲際彈道導彈,最后項目終于遭到取消。

引用来源

中文名
音速
外文名
speed of sound
物理意義
介質中聲波傳播的速度
空氣中的音速
在1個標準大氣壓約為340m/秒
別名