Скорость звука

Опубликовано 18.09.2010 Ведущий Антон Степанов

Как известно, звук - это продольная волна, которая распространяется в некой среде и создает в ней механические колебания. Т.е. колебания частиц, собственно вещества, в котором она распространяется. А скорость звука - это скорость распространения фиксированной фазы данной волны. В более широком смысле такая скорость распространения называется фазовой.
Скорость звука различна для разных веществ и зависит, прежде всего, от упругости и плотности среды. Медленнее всего звук распространяется в газах, быстрее - в жидкостях. А самая высокая скорость распространения звука - в твердых телах. Причем в них звук представляет собой не продольную, а поперечную (сдвиговую) волну.
Для любой из сред скорость звука можно вычислить по формуле скорость ЦЭ равно квадратный корень из единицы, деленной на произведение адиабатической сжимаемости и плотности вещества .
Непосредственно для газов формулу можно несколько видоизменить, например, выразить скорость через температуру и молярную или молекулярную массу.

Каковы бывают скорости звуков для различных сред? Их можно увидеть на таблице. Скорость звука впервые была измерена Уильямом Дерхамом, современником Ньютона. В воздухе при нуле градусов и нормальном атмосферном давлении она равна 331му метру в секунду или примерно тысяче ста девяносто трем километрам в час. Это несколько меньше средней начальной скорости пули при выстреле из пистолета и в два-три раза меньше той же скорости при выстреле из длинноствольного оружия. Впрочем, скорость звука в воздухе может достигать и даже превышать двух тысяч километров в секунду.
Взглянув снова на формулу, мы видим, что скорость зависит от температуры и увеличивается при ее увеличении. Это связано с ускорением движения частиц вещества при нагреве. И обратно, в холодном воздухе, да и вообще любом газе, скорость распространения звука уменьшается.
Для твердых вещества формула будет выглядеть иначе. Как в ней - модуль всестороннего сжатия.

И, наконец, в кристаллах скорость звука может зависеть от направления распространения волны.
Еще одна величина, связанная со скоростью звука в веществах - это число Маха. Как правило, мы слышим о нем при характеристике летательных аппаратов - сравнении их скорости со скоростью звука в воздухе. Это определение числа Маха не очень корректно и слишком упрощено, но все уже привыкли обозначать скорость, например, сверхзвукового истребителя как, скажем M3, что обозначает скорость самолета равную трем скоростям звука.
С помощью измерений скорости звука в том или ином веществе можно изучать его свойства, наличие примесей в газах и жидкостях, исследовать зонную структуру полупроводников. Многие контрольно измерительные исследования с помощью ультразвука основаны на замерах скорости.