声速

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October 18, 2021

声速是声音振动或声波传播的速度。声音只能在介质(固体、液体或气体)中传播,速度 v {\displaystyle v} 取决于介质的压缩模量 κ {\displaystyle \kappa } 和密度 ρ {\displaystyle \rho },根据到以下公式: v κ ρ {\displaystyle v{\sqrt {\frac {\kappa }{\rho }}}} 。密度和压缩模量可能取决于温度和水分含量等因素。对于室温 (20°C) 的空气,声速约为每秒 343 米或 1234.8 公里/小时。在温度为 0 °C 的干燥空气(水蒸气相对较少)中,这是 331 m/s 或 1191.6 km/h。在液体和固体中,声速通常更高。例如,在水中,声音以大约 1510 m/s 的速度传播;在木材中,这大约是 3300 m/s;在钢中大约 5800 m/s。对于最硬的金属,声速可以达到 12,000 m/s。当飞机在该高度飞行的速度超过空气中的声速时,它会产生一种称为“打破音障”的冲击波。马赫数就是由此推导出来的。在温度为 0 °C 的干燥空气(水蒸气相对较少)中,这是 331 m/s 或 1191.6 km/h。在液体和固体中,声速通常更高。例如,在水中,声音以大约 1510 m/s 的速度传播;在木材中,这大约是 3300 m/s;在钢中大约 5800 m/s。对于最硬的金属,声速可以达到 12,000 m/s。当飞机在该高度飞行的速度超过空气中的声速时,它会产生一种称为“打破音障”的冲击波。马赫数就是由此推导出来的。在温度为 0 °C 的干燥空气(水蒸气相对较少)中,这是 331 m/s 或 1191.6 km/h。在液体和固体中,声速通常更高。例如,在水中,声音以大约 1510 m/s 的速度传播;在木材中,这大约是 3300 m/s;在钢中大约 5800 m/s。对于最硬的金属,声速可以达到 12,000 m/s。当飞机在该高度飞行的速度超过空气中的声速时,它会产生一种称为“打破音障”的冲击波。马赫数就是由此推导出来的。对于最硬的金属,声速可以达到 12,000 m/s。当飞机在该高度飞行的速度超过空气中的声速时,它会产生一种称为“打破音障”的冲击波。马赫数就是由此推导出来的。对于最硬的金属,声速可以达到 12,000 m/s。当飞机在该高度飞行的速度超过空气中的声速时,它会产生一种称为“打破音障”的冲击波。马赫数就是由此推导出来的。

空气中的声速

将理想气体中的声速 c(字母 a 常用于空气动力学)与温度联系起来的公式是: c γ RTM {\displaystyle c{\sqrt {\gamma {\frac {RT}{M} }}}} ; 其中 γ C p / C v {\displaystyle \gamma {C_{p}}/{C_{v}}} 是比热比(空气为 1.41),R 是一般气体常数(8 ,3145 J/(mol K)),T 以开尔文为单位的绝对温度,M 以 kg/mol 为单位的气体摩尔质量。空气的可压缩性和密度可以通过一般气体定律很好地近似。比热比是一种修正,因为由于快速绝热压缩,空气被声波压缩的瞬间温度升高,通过后温度再次降低。较高的温度会降低可压缩性,结果是声速增加。对于空气,上述公式可以近似为: c ≈ 20 273 + ϑ ≈ ( 331 , 5 + 0 ,6 ϑ ) ( m / s ) {\displaystyle c\approx 20{\sqrt {273+\vartheta }}\approx (331{,}5+0{,}6\ \vartheta )\ \mathrm {(m/ s)} } ,其中 ϑ {\displaystyle \vartheta } 是以摄氏度为单位的温度。速度随着温度的升高而增加,在 20 °C 时,声速比在 0 °C 时大约 12 m/s。声速几乎与声音的频率和气压无关,但偏差是可测量的,也是可听的。相对于地面的声速当然会受到风速的影响。上式也可以在标准压力 p 和标准温度下写成: c γ p ρ ; {\displaystyle c{\sqrt {\gamma \{p \over \rho }}};} 其中: p 是 101,325 帕斯卡 ρ 气体的密度。

水中声速

水中的声速约为 1500 m/s,远高于空气中的声速。可以通过测量声速在很远距离内的变化来测量海洋温度的变化。一个问题是声速取决于声波传播的介质的密度和电导率。在这种情况下,即水,其因素受温度和盐度的影响。声速可以通过以下公式计算: c 1449 , 2 + 4 , 6 T 0 , 055 T 2 + 0 ,00029 T 3 + ( 1.34 − 0.01 T ) ( S − 35 ) + 0.016 d {\displaystyle c1449.2+4.6T-0.055T^{2}+0.00029T^{3}+ (1.34-0.01T)(S -35)+0.016d\ } 其中: c 声速 (m/s) T 温度 (°C) S 盐度 (‰) d 水深 (m) 这个 Medwin 公式是一个经验公式,其中有很多。在这方面的其他名称是 Chen & Millero、Wilson、Del Grosso、Kinsler & Frey、Horton 和 Lovett。温度的巨大影响是显而易见的,而且水越咸,速度就越高。您可以使用声速计直接测量声速。由于声速不正确而导致的测量误差在浅水中最小: 深度差,声速误差为 10 m/s: 假设:V 1500 m/s D 10 M 由于此误差是系统性的200 m 深度的差异会大 20 倍,即 20 × 0.067 m 1.34 米 声速在不同的地方和时间总会有差异。人们应该意识到这可能导致的不准确度,并询问不准确度是否在容许范围内。例如,当潮汐改变或当一个人开始在更深的部分发声时。然后应该考虑进行新的声速测量或条形检查。由于声速不正确而导致的测量误差在浅水中最小: 深度差,声速误差为 10 m/s: 假设:V 1500 m/s D 10 M 由于此误差是系统性的200 m 深度的差异会大 20 倍,即 20 × 0.067 m 1.34 米 声速在不同的地方和时间总会有差异。人们应该意识到这可能导致的不准确度,并询问不准确度是否在容许范围内。例如,当潮汐改变或当一个人开始在更深的部分发声时。然后应该考虑进行新的声速测量或条形检查。由于声速不正确而导致的测量误差在浅水中最小: 深度差,声速误差为 10 m/s: 假设:V 1500 m/s D 10 M 由于此误差是系统性的200 m 深度的差异会大 20 倍,即 20 × 0.067 m 1.34 米 声速在不同的地方和时间总会有差异。人们应该意识到这可能导致的不准确度,并询问不准确度是否在容许范围内。例如,当潮汐改变或当一个人开始在更深的部分发声时。然后应该考虑进行新的声速测量或条形检查。V 1500 m/s D 10 MS 由于这个误差是系统性的,200 米深度的差异会大 20 倍,即 20 × 0.067 m 1.34 米在不同的地方和时间总会有声速的差异。人们应该意识到这可能导致的不准确度,并询问不准确度是否在容许范围内。例如,当潮汐改变或当一个人开始在更深的部分发声时。然后应该考虑进行新的声速测量或条形检查。V 1500 m/s D 10 MS 由于这个误差是系统性的,200 米深度的差异会大 20 倍,即 20 × 0.067 m 1.34 米在不同的地方和时间总会有声速的差异。人们应该意识到这可能导致的不准确度,并询问不准确度是否在容许范围内。例如,当潮汐改变或当一个人开始在更深的部分发声时。然后应该考虑进行新的声速测量或条形检查。例如,当潮汐改变或当一个人开始在更深的部分发声时。然后应该考虑进行新的声速测量或条形检查。例如,当潮汐改变或当一个人开始在更深的部分发声时。然后应该考虑进行新的声速测量或条形检查。

固体中的声速

除非另有说明,该物质的温度为 293 开尔文 (K)。

液体中的声速

除非另有说明,液体的温度为 293 K。

气体和蒸汽中的声速

除非另有说明,否则气体的温度为 273 K。

历史

1823 年,乌得勒支教授 Gerrit Moll 测量了阿默斯福特和纳尔登之间的声速。