انتشار الموجات الصوتية. ملامح انتشار وإشعاع الصوت في الماء

لاحظ الحارس الوقت المنقضي بين ظهور الفلاش ولحظة سماع الصوت. تم إهمال الوقت الذي استغرقه الضوء لقطع هذه المسافة. من أجل القضاء على تأثير الرياح إلى أقصى حد ، كان هناك مدفع ومراقب على كل جانب ، وأطلق كل مدفع في نفس الوقت تقريبًا.

تم أخذ متوسط ​​قيمة قياسين للوقت ، وعلى أساسه. اتضح أنها تساوي تقريبًا 340 مللي ثانية -1. كان العيب الكبير في طريقة القياس هذه هو أن البندقية لم تكن دائمًا في متناول اليد!

يصف العديد من الممتحنين طريقة مماثلة. يقف أحد الطلاب على جانب واحد من ملعب كرة القدم مع مسدس بدء ، والطالب الآخر يقف على الجانب الآخر منه بساعة توقيت. يتم قياس المسافة بينهما بعناية باستخدام شريط قياس. يبدأ الطالب ساعة الإيقاف عندما يرى الدخان يتصاعد من البرميل ويوقفها عندما يسمع الصوت. يحدث الشيء نفسه عند تبديل الأماكن للتعويض عن تأثير الرياح. ثم يتم تحديد متوسط ​​الوقت.

نظرًا لأن الصوت ينتقل بسرعة 340 مللي ثانية -1 ، فمن المرجح ألا تكون ساعة الإيقاف دقيقة بدرجة كافية. يفضل أن تعمل في غضون سنتي ثانية أو ميلي ثانية.

قياس سرعة الصوت بالصدى

عندما يتم إنتاج صوت قصير وحاد ، مثل صوت فرقعة ، يمكن أن تنعكس الموجة الدافعة بواسطة عائق كبير ، مثل جدار ، ويسمعها المراقب. هذا الدافع المنعكس يسمى صدى. تخيل أن رجلاً يقف على بعد 50 مترًا من الحائط وينتج قطنًا واحدًا. عند سماع صدى الصوت ، ينتقل الصوت مسافة 100 متر ، ولن يكون قياس هذا الفاصل الزمني بساعة الإيقاف دقيقًا بدرجة كافية. ومع ذلك ، إذا كان الشخص الثاني يمسك ساعة الإيقاف وكان الشخص الأول يصفق ، فحينئذٍ يكون الوقت عدد كبيريمكن الحصول على أصوات صدى بدقة كافية.

افترض أن المسافة التي يكون عندها الشخص الذي يصفق أمام الحائط 50 مترًا ، وأن الفترة الزمنية بين أول ومائة وأول تصفيق هي 30 ثانية ، إذن:

سرعة الصوت= المسافة المقطوعة / وقت التصفيق الواحد = 100 م: 30/100 ثانية = 333 مللي ثانية -1

قياس سرعة الصوت بواسطة راسم الذبذبات

هناك طريقة أكثر تعقيدًا لقياس سرعة الصوت بشكل مباشر وهي استخدام مرسمة الذبذبات. يصدر مكبر الصوت نبضات على فترات منتظمة ، ويتم تسجيلها بواسطة راسم الذبذبات بأشعة الكاثود (انظر الشكل). عندما يستقبل الميكروفون نبضة ، سيتم التقاطها أيضًا بواسطة مرسمة الذبذبات. إذا كانت خصائص توقيت الذبذبات معروفة ، فيمكن العثور على الفاصل الزمني بين نبضتين.

يتم قياس المسافة بين مكبر الصوت والميكروفون. يمكن معرفة سرعة الصوت من الصيغةالسرعة = المسافة / الوقت.

سرعة الصوت في مختلف البيئات

سرعة الصوت في المواد الصلبة أسرع من السوائل ، وأسرع في السوائل من الغازات. أظهرت التجارب السابقة على بحيرة جنيف أن سرعة الصوت في الماء أعلى بكثير من سرعة الهواء. في مياه عذبةسرعة الصوت 1410 مللي ثانية -1 ، بوصة مياه البحر- 1540 مللي ثانية -1. في الحديد ، تبلغ سرعة الصوت حوالي 5000 مللي ثانية -1.

إرسال إشارات صوتيةومن خلال ملاحظة الفاصل الزمني قبل وصول الإشارة المنعكسة (الصدى) ، يمكن تحديد عمق البحر وموقع مجموعات الأسماك. خلال الحرب ، تم استخدام أجهزة استشعار عالية التردد للكشف عن الألغام. الخفافيش في استخدام الطيران شكل خاصصدى للكشف عن العقبات. يصدر الخفاش صوتًا عالي التردد يرتد عن كائن في مساره. يسمع الماوس صدى الصوت ويحدد موقع الكائن ويتجنبه.

تعتمد سرعة الصوت في الهواء على الظروف الجوية. سرعة الصوت متناسبة الجذر التربيعيمن حاصل الضغط مقسومًا على الكثافة. لا تؤثر التغييرات في الضغط على سرعة الصوت في الهواء. وذلك لأن الزيادة في الضغط تستلزم زيادة مقابلة في الكثافة وتبقى نسبة الضغط إلى الكثافة ثابتة.

تتأثر سرعة الصوت في الهواء (كما هو الحال في أي غاز) بالتغيرات في درجة الحرارة. تشير قوانين الغازات إلى أن نسبة الضغط إلى الكثافة تتناسب مع. لذا فإن سرعة الصوت تتناسب طرديًا مع √T. من السهل كسر حاجز الصوت عند الارتفاعات العالية لأن درجة الحرارة تكون أقل هناك.

تتأثر سرعة الصوت بالتغيرات في الرطوبة. كثافة بخار الماء أقل من كثافة الهواء الجاف عند نفس الضغط. في الليل ، عندما ترتفع الرطوبة ، ينتقل الصوت بشكل أسرع. تسمع الأصوات بشكل أكثر وضوحًا في ليلة ضبابية هادئة.

هذا يرجع جزئيا إلى رطوبة عالية، ويرجع ذلك جزئيًا إلى حدوث انقلاب في درجة الحرارة في ظل هذه الظروف ، حيث تنكسر الأصوات بطريقة لا تتشتت.

تتناول المقالة خصائص الظواهر الصوتية في الغلاف الجوي: سرعة انتشار الصوت في الهواء ، وتأثير الرياح والضباب على انتشار الصوت.
الاهتزازات الطولية لجزيئات المادة ، التي تنتشر عبر وسط المادة (من خلال الهواء والماء والمواد الصلبة) وتصل إلى الأذن البشرية ، تسبب أحاسيس تسمى الصوت.
في الهواء الجويهناك دائما موجات صوتية ذات ترددات وقوة مختلفة. بعض هذه الموجات يتم تكوينها بشكل مصطنع من قبل الإنسان ، وبعض الأصوات من أصل أرصاد جوية.
تشمل أصوات الأرصاد الجوية الرعد ، وعواء الرياح ، وطنين الأسلاك ، وضوضاء وحفيف الأشجار ، و "صوت" البحر ، وأصوات السقوط على الأرض. سطح الأرضهطول الأمطار الصلبة والسائلة ، وأصوات الأمواج قبالة سواحل البحار والبحيرات ، وغيرها.
تتأثر سرعة انتشار الصوت في الغلاف الجوي بدرجة حرارة الهواء ورطوبته وكذلك الرياح (الاتجاه وقوتها). متوسط ​​سرعة الصوت في الغلاف الجوي هو 333 م / ث. مع ارتفاع درجة حرارة الهواء ، تزداد سرعة الصوت قليلاً. التغيير في الرطوبة المطلقة للهواء له تأثير أقل على سرعة الصوت.
يتم تحديد سرعة الصوت في الهواء من خلال صيغة لابلاس:

(1),
حيث ف - الضغط ؟ - كثافة الهواء؛ ج؟ هي السعة الحرارية للهواء عند ضغط ثابت ؛ cp هي السعة الحرارية للهواء بحجم ثابت.
باستخدام معادلة حالة الغاز ، يمكن للمرء الحصول على عدد من اعتمادات سرعة الصوت على معلمات الأرصاد الجوية.
يتم تحديد سرعة الصوت في الهواء الجاف بالصيغة التالية:
c0 = 20.1؟ T · m / s، (2)
ولكن في الهواء الرطب:
c0 = 20.1؟ م / ث ، (3)
حيث TV = ما يسمى بدرجة الحرارة الافتراضية الصوتية ، والتي تحددها الصيغة TV = T (1 + 0.275 e / p).
عندما تتغير درجة حرارة الهواء بمقدار 1 درجة ، تتغير سرعة الصوت بمقدار 0.61 م / ث. تعتمد سرعة الصوت على قيمة النسبة e / p (نسبة الرطوبة إلى الضغط) ، ولكن هذا الاعتماد ضئيل ، وعلى سبيل المثال ، عندما تكون مرونة بخار الماء أقل من 7 مم ، فإن إهمالها يعطي خطأ في سرعة الصوت لا يتجاوز 0.5 م / ث.
عند الضغط العادي و T \ u003d 0 درجة مئوية ، تبلغ سرعة الصوت في الهواء الجاف 333 م / ث. في الهواء الرطب ، يمكن تحديد سرعة الصوت بالصيغة التالية:
ج = 333 + 0.6 طن + 0.07 هـ (4)
في نطاق درجة الحرارة (t) من -20 درجة إلى + 30 درجة ، تعطي هذه الصيغة خطأ في سرعة الصوت لا تزيد عن ± 0.5 م / ث. من الصيغ المذكورة أعلاه يمكن ملاحظة أن سرعة الصوت تزداد مع زيادة درجة الحرارة والرطوبة.
للرياح تأثير قوي: تزداد سرعة الصوت في اتجاه الريح ، وتتناقص مقابل الريح. يتسبب وجود الرياح في الغلاف الجوي في انحراف الموجة الصوتية ، مما يعطي الانطباع بأن مصدر الصوت قد تغير. يتم تحديد سرعة الصوت في هذه الحالة (c1) بالتعبير:
c1 = c + U cos؟، (1)
حيث U هي سرعة الرياح ؛ ؟ هي الزاوية بين اتجاه الريح عند نقطة المراقبة والاتجاه المرصود لوصول الصوت.
معرفة سرعة انتشار الصوت في الغلاف الجوي أهمية عظيمةعند حل عدد من المشاكل في الدراسة الطبقات العلياالغلاف الجوي بالطريقة الصوتية. باستخدام متوسط ​​سرعة الصوت في الغلاف الجوي ، يمكنك معرفة المسافة من موقعك إلى موقع الرعد. للقيام بذلك ، تحتاج إلى تحديد عدد الثواني بين وميض البرق المرئي ولحظة وصول صوت الرعد. ثم تحتاج إلى ضرب متوسط ​​قيمة سرعة الصوت في الغلاف الجوي - 333 م / ث. لعدد الثواني المحدد.

ما مدى سرعة انتقال الصوت؟

تعتمد سرعة الصوت على الوسط الذي ينتشر فيه. على سبيل المثال ، ينتقل الصوت في الهواء بسرعة 344 م / ث. ومع ذلك ، إذا تغيرت درجة حرارة الهواء وضغطه ورطوبته ، فإن سرعة الصوت تتغير أيضًا. ينتقل الصوت عبر وسط سائل ، مثل الماء ، بسرعة حوالي 1500 م / ث. ينتقل الصوت بشكل أسرع عبر المواد الصلبة: 2500 متر / ثانية عبر البلاستيك الصلب ، و 5000 متر / ثانية عبر الفولاذ ، وحوالي 6000 متر / ثانية عبر بعض أنواع الزجاج.

هل يمكن للصوت أن يرتد عن الأشياء بنفس الطريقة التي يرتد بها الضوء؟

تنعكس الموجات الصوتية على الأسطح الصلبة والملساء والمسطحة (الجدران والأبواب) موجات الضوءمن المرآة. إذا انقضت أكثر من 0.1 ثانية بين عودة الصدى (أو الانعكاس) وإرسال الصوت الأصلي ، فإننا نسمعهم على هيئة صوتين منفصلين ، يسمى الصوت المنعكس صدى. إذا كان الفرق في الوقت بين وصول الصدى المنعكس وإرسال الصوت أصغر ، فسيتم خلطهما. مما يزيد من المدة الإجمالية للصوت. تُعرف هذه الظاهرة بالصدى.

غرف خاصة ممتصة للصوت مغطاة بالكامل من الداخل مواد ناعمةنسيج معين. تحبس الجدران والأسقف والأرضيات جميع الطاقة الصوتية تقريبًا ، ولا تحدث الانعكاسات الصوتية على شكل صدى أو صدى. تسمى هذه الغرف غرف الصم: كل الأصوات فيها مكتومة.

تصدر حيتان صيد الحيتان ، مثل الحيتان البيضاء ، نقرات صوتية مماثلة لتلك التي يتم إرسالها مضرب. تنعكس هذه النبضات على شكل صدى لإعلام الحوت بالأجسام القريبة.

دعونا نقيس الصوت

السرعة حسب رقم الماك

يمكن لبعض الطائرات أن تطير أسرع من سرعة الصوت ، على مقياس ماك يتوافق مع الرقم M = 1. تشكل الطائرات الأسرع من الصوت أثناء الطيران موجة انضغاطية تنتشر على شكل صوت عالٍ وعميق يُعرف باسم الدوي الصوتي (عندما تكسر الطائرة حاجز الصوت). كان من الممكن أن تكون الضربة قد خانت وجود طائرة خفية ، قاذفة B-2 ، لذلك عادة ما تطير هذه الطائرات بسرعة أقل بقليل من رقم M = 1.

تبلغ سرعة إبحار B-2 حوالي 700 كم / ساعة.

عدد ماخ

يمكن وصف سرعة الصوت على مقياس ماخ. يتم تمثيل وحدة القياس كرقم مقارن لنسبة سرعة الطائرة إلى سرعة الصوت في ظل ظروف معينة. تم تسمية رقم Mach على اسم العالم النمساوي إرنست ماخ (1838-1916).

تبلغ سرعة الصوت في الهواء عند درجة حرارة 20 درجة وضغط الهواء القياسي عند مستوى سطح البحر حوالي 1238 كم / ساعة. لذلك ، فإن الجسم الذي يتحرك بنفس السرعة يكون له سرعة M = 1 بأرقام Mach.

مرتفع جدًا فوق سطح الأرض ، حيث تكون درجة الحرارة وضغط الهواء أقل من المعتاد ، تكون سرعة الصوت 1062 كم / ساعة. لذلك ، رقم ماخ 1.5 هناك يتوافق مع 1593 كم / ساعة.

10 ديسيبل - أهدأ الأصوات التي يمكن أن تلتقطها آذاننا ، مثل دقات الساعة

20 ديسيبل - الهمس

40 ديسيبل - محادثة هادئة مع الناس من حولك

50 ديسيبل - تلفزيون أو راديو في نطاق الصوت المتوسط

60 ديسيبل - محادثة عالية جدًا

70 ديسيبل - الأجهزة المنزلية: مكنسة كهربائية أو معالج منزلي

80 ديسيبل - قطار يمر بالمحطة

100 ديسيبل - آلة صاخبة جدًا أو آلة ثقب الصخور لأعمال الطرق

120 ديسيبل - طائرة نفاثة تقلع

على مقياس ديسيبل ، كل فاصل بمقدار 10 ديسيبل يعني زيادة في الطاقة بمقدار 10 أضعاف. على سبيل المثال ، 60 ديسيبل أقوى بعشر مرات من 50 ديسيبل.

تم إجراء المحاولات الأولى لفهم أصل الصوت منذ أكثر من ألفي عام. في كتابات العلماء اليونانيين القدماء بطليموس وأرسطو ، تم وضع الافتراضات الصحيحة بأن الصوت يتولد من اهتزازات الجسم. علاوة على ذلك ، جادل أرسطو بأن سرعة الصوت قابلة للقياس ومحدودة. بالطبع في اليونان القديمةلم تكن هناك احتمالات تقنية لأية قياسات دقيقة ، لذلك تم قياس سرعة الصوت بدقة نسبيًا فقط في القرن السابع عشر. لهذا ، تم استخدام طريقة المقارنة بين وقت اكتشاف وميض من لقطة والوقت الذي بعده وصل الصوت إلى المراقب. نتيجة للعديد من التجارب ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن الصوت ينتشر في الهواء بسرعة 350 إلى 400 متر في الثانية.

كما وجد الباحثون أن قيمة سرعة انتشار الموجات الصوتية في وسط معين تعتمد بشكل مباشر على كثافة ودرجة حرارة هذه الوسيلة. اذا الهواء المخلخل، كلما كان الصوت ينتقل خلاله بشكل أبطأ. بالإضافة إلى ذلك ، كلما زادت سرعة الصوت ، زادت درجة حرارة الوسط. حتى الآن ، من المقبول عمومًا أن سرعة انتشار الموجات الصوتية في الهواء في الظروف العادية (عند مستوى سطح البحر عند درجة حرارة 0 درجة مئوية) تبلغ 331 مترًا في الثانية.

عدد ماخ

في الحياه الحقيقيهسرعة الصوت هي معلمة مهمة في الطيران ، ومع ذلك ، في تلك الارتفاعات حيث تكون عادة ، تختلف خصائص البيئة اختلافًا كبيرًا عن المعتاد. هذا هو السبب في أن الطيران يستخدم مفهومًا عالميًا يسمى رقم ماخ ، والذي سمي على اسم النمساوي إرنست ماخ. هذا الرقم هو سرعة الجسم مقسومة على سرعة الصوت المحلية. من الواضح أنه كلما انخفضت سرعة الصوت في وسط ذي معلمات محددة ، زاد عدد الماك ، حتى لو لم تتغير سرعة الكائن نفسه.

يرجع التطبيق العملي لهذا الرقم إلى حقيقة أن الحركة بسرعة أعلى من سرعة الصوت تختلف اختلافًا كبيرًا عن الحركة بسرعات دون سرعة الصوت. في الأساس ، يرجع هذا إلى التغيير في الديناميكا الهوائية للطائرة ، وتدهور إمكانية التحكم فيها ، وتسخين الهيكل ، فضلاً عن مقاومة الأمواج. يتم ملاحظة هذه التأثيرات فقط عندما يتجاوز رقم Mach واحدًا ، أي أن الكائن يتغلب على حاجز الصوت. في الوقت الحالي ، توجد صيغ تسمح لك بحساب سرعة الصوت لمعلمات هواء معينة ، وبالتالي حساب رقم Mach لـ ظروف مختلفة.

فيديوهات ذات علاقة

مصادر:

• تردد اهتزاز الشوكة الرنانة 440 هرتز

يمكن للأشياء المادية المختلفة الموجودة في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية أن تصدر أصواتًا. على سبيل المثال ، سلسلة مهتزة أو نفث هواء من أنبوب.

الصوت هو اهتزازات الموجة للوسط الذي تدركه الأذن البشرية. المصادر مختلفة أجساد مادية. اهتزاز المصدر يثير الاهتزازات في بيئةالتي تنتشر في الفضاء. تحتل الموجات الصوتية نطاق تردد من 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز ، بين الموجات فوق الصوتية والموجات فوق الصوتية.

تحدث الاهتزازات الميكانيكية فقط عندما يكون هناك مرونة ، لذلك لا يمكن للصوت أن ينتشر في الفراغ. سرعة الصوت هي السرعة التي تنتقل بها الموجة الصوتية عبر المناطق المحيطة بمصدر الصوت.

ينتقل الصوت عبر الوسائط الغازية والسوائل والمواد الصلبة بسرعات مختلفة. ينتقل الصوت في الماء أسرع منه في الهواء. في المواد الصلبة ، تكون سرعة الصوت أعلى منها في. لكل مادة سرعة انتشار الصوت ثابتة. أولئك. تعتمد سرعة الصوت على كثافة ومرونة الوسط وليس على تردد الموجة الصوتية وسعتها.

يمكن للصوت أن يلتف حول العوائق التي واجهتها. وهذا ما يسمى الانعراج. الأصوات المنخفضة لها انعراج أفضل من الأصوات العالية. هنا

سرعة الصوت- سرعة انتشار الموجات المرنة في الوسط: طولية (في الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة) ، والعرضي ، القص (في المواد الصلبة). يتحدد بمرونة الوسط وكثافته: كقاعدة عامة ، تكون سرعة الصوت في الغازات أقل من سرعة الصوت في السوائل ، وفي السوائل أقل من سرعة الصوت في المواد الصلبة. أيضًا ، في الغازات ، تعتمد سرعة الصوت على درجة حرارة مادة معينة ، في بلورات مفردة - على اتجاه انتشار الموجة. عادة لا تعتمد على تردد الموجة وسعتها ؛ في الحالات التي تعتمد فيها سرعة الصوت على التردد ، يتحدث المرء عن تشتت الصوت.

موسوعي يوتيوب

• 1 / 5

  يوجد بالفعل بين المؤلفين القدماء إشارة إلى أن الصوت ناتج عن الحركة التذبذبية للجسم (بطليموس ، إقليدس). يلاحظ أرسطو أن لسرعة الصوت مقدارًا محدودًا ، ويتخيل بشكل صحيح طبيعة الصوت. تعود محاولات تحديد سرعة الصوت بشكل تجريبي إلى النصف الأول من القرن السابع عشر. وأشار F. Bacon في "نيو أورغانون" إلى إمكانية تحديد سرعة الصوت من خلال مقارنة الفترات الزمنية بين وميض الضوء وصوت اللقطة. باستخدام هذه الطريقة ، قام باحثون مختلفون (M. Mersenne ، P. Gassendi ، W. Derham ، مجموعة من العلماء من أكاديمية باريس للعلوم - D. Cassini ، J. Picard ، Huygens ، Römer) بتحديد قيمة سرعة الصوت (حسب الظروف التجريبية ، 350-390 م / ث). من الناحية النظرية ، تم النظر في مسألة سرعة الصوت لأول مرة من قبل أنا. نيوتن في "مبادئه". افترض نيوتن في الواقع الانتشار المتساوي للحرارة للصوت ، لذلك حصل على تقدير أقل من الواقع. تم الحصول على القيمة النظرية الصحيحة لسرعة الصوت بواسطة لابلاس.

  حساب السرعة في السائل والغاز

  يتم حساب سرعة الصوت في سائل متجانس (أو غاز) بالصيغة:

  ج = 1 β ρ (displaystyle c = (sqrt (frac (1) (beta rho))))

  في المشتقات الجزئية:

  ج = - v 2 (∂ * v) ث = - v 2 C * C v (∂ * ∂ v) T (displaystyle c = (sqrt (-v ^ (2) left ((frac () جزئية *) (جزئية v)) يمين) _ (ق))) = (\ sqrt (-v ^ (2) (\ frac (C_ (p)) (C_ (v))) \ left ((\ فارك (جزئية ف) (جزئية ت)) حق) _ (T))))

  أين β (displaystyle beta)- انضغاطية متوسطة الحرارة ؛ ρ (displaystyle rho)- كثافة؛ ج * (displaystyle C_ (p))- السعة الحرارية متساوية الضغط ؛ ج v (displaystyle C_ (v))- السعة الحرارية متساوي الصدور. * (displaystyle p), ك (displaystyle v), T (displaystyle T)- الضغط والحجم المحدد ودرجة حرارة الوسط ؛ ث (displaystyle s)- إنتروبيا البيئة.

  للحلول والأنظمة الفيزيائية الكيميائية المعقدة الأخرى (على سبيل المثال ، غاز طبيعي، النفط) يمكن أن تعطي هذه التعبيرات خطأً كبيرًا جدًا.

  المواد الصلبة

  في وجود واجهات ، يمكن نقل الطاقة المرنة من خلال الموجات السطحية أنواع مختلفةوالتي تختلف سرعتها عن سرعة الموجات الطولية والعرضية. يمكن أن تكون طاقة هذه التذبذبات أكبر بعدة مرات من طاقة الموجات السائبة.