Разпространение на звукови вълни. Характеристики на разпространение и излъчване на звук във вода

Пазачът отбеляза времето, изминало между появата на светкавицата и момента, в който се чу звукът. Времето, необходимо на светлината да измине това разстояние, беше пренебрегнато. За да се елиминира в най-голяма степен влиянието на вятъра, от всяка страна имаше по едно оръдие и наблюдател, като всяко оръдие стреляше приблизително по едно и също време.

Взета е средната стойност на две измервания на времето и въз основа на нея . Оказа се приблизително равно на 340 ms -1 . Големият недостатък на този метод на измерване беше, че пистолетът не винаги беше под ръка!

Много изпитвани описват подобен метод. Един ученик стои от едната страна на футболното игрище със стартов пистолет, а другият ученик стои от другата му страна с хронометър. Разстоянието между тях се измерва внимателно с ролетка. Ученикът пуска хронометъра, когато види дим, излизащ от цевта, и го спира, когато чуе звука. Същото се прави, когато сменят местата си, за да компенсират влиянието на вятъра. След това се определя средното време.

Тъй като звукът се разпространява със скорост от 340 ms -1, хронометърът най-вероятно няма да бъде достатъчно точен. За предпочитане е да работите за сантисекунди или милисекунди.

Измерване на скоростта на звука с ехо

Когато се произведе кратък, остър звук, като пукане, импулсът на вълната може да бъде отразен от голямо препятствие, като стена, и да бъде чут от наблюдателя. Този отразен импулс се нарича ехо. Представете си, че човек стои на 50 метра от стената и произвежда един памук. Когато се чуе ехото, звукът е изминал 100 м. Измерването на този интервал с хронометър няма да е достатъчно точно. Ако обаче вторият човек държи хронометъра, а първият пляска, тогава времето за Голям бройехото може да се получи с достатъчна точност.

Да предположим, че разстоянието, на което пляскащият е пред стената, е 50 m, а интервалът от време между първото и сто и първото пляскане е 30 секунди, тогава:

скорост на звука= изминато разстояние / време на едно пляскане = 100m: 30 / 100 s = 333 ms -1

Измерване на скоростта на звука с осцилоскоп

По-сложен начин за директно измерване на скоростта на звука е използването на осцилоскоп. Високоговорителят излъчва импулси на равни интервали и те се записват от катодно-лъчев осцилоскоп (вижте фигурата). Когато микрофонът получи импулс, той ще бъде уловен и от осцилоскопа. Ако са известни времевите характеристики на осцилоскопа, тогава може да се намери интервалът от време между два импулса.

Измерва се разстоянието между високоговорителя и микрофона. Скоростта на звука може да се намери от формулатаскорост = разстояние / време.

Скоростта на звука в различни среди

Скоростта на звука е по-висока в твърди вещества, отколкото в течности, и по-бърза в течности, отколкото в газове. Минали експерименти на Женевското езеро показаха, че скоростта на звука във вода е много по-висока, отколкото във въздуха. AT прясна водаскоростта на звука е 1410 ms -1, in морска вода- 1540 ms -1 . В желязото скоростта на звука е приблизително 5000 ms -1.

Изпращане звукови сигналии чрез отбелязване на интервала от време преди пристигането на отразения сигнал (ехо), е възможно да се определи дълбочината на морето и местоположението на стадата риба. По време на войната за откриване на мини са използвани високочестотни сондажи. Използване на прилепи в полет специална формаехо за откриване на препятствия. Прилепът издава високочестотен звук, който отскача от обект по пътя си. Мишката чува ехото, намира обекта и го избягва.

Скоростта на звука във въздуха зависи от атмосферните условия. Скоростта на звука е пропорционална корен квадратенот частното налягане, разделено на плътността. Промените в налягането не влияят на скоростта на звука във въздуха. Това е така, защото увеличаването на налягането води до съответно увеличение на плътността и съотношението на налягането към плътността остава постоянно.

Скоростта на звука във въздуха (както във всеки газ) се влияе от промените в температурата. Законите за газовете показват, че съотношението на налягането към плътността е пропорционално на. Така че скоростта на звука е пропорционална на √T. Звуковата бариера е по-лесна за преодоляване на по-голяма надморска височина, защото там температурата е по-ниска.

Скоростта на звука се влияе от промените във влажността. Плътността на водната пара е по-малка от плътността на сухия въздух при същото налягане. През нощта, когато влажността се повиши, звукът се разпространява по-бързо. Звуците се чуват по-ясно в тиха мъглива нощ.

Това отчасти се дължи на висока влажности отчасти защото при тези условия обикновено се получава температурна инверсия, при която звуците се пречупват по такъв начин, че да не се разпръскват.

Статията разглежда характеристиките на звуковите явления в атмосферата: скоростта на разпространение на звука във въздуха, влиянието на вятъра и мъглата върху разпространението на звука.
Надлъжните вибрации на частици материя, разпространяващи се през материалната среда (през въздух, вода и твърди тела) и достигайки до човешкото ухо, предизвикват усещания, наречени звук.
AT атмосферен въздухвинаги има звукови вълни с различна честота и сила. Някои от тези вълни са създадени изкуствено от човека, а някои от звуците имат метеорологичен произход.
Звуците от метеорологичен произход включват гръмотевици, вой на вятър, бръмчене на кабели, шум и шумолене на дървета, "гласът" на морето, звуците от падане върху земната повърхносттвърди и течни валежи, звуците на прибоя край бреговете на морета и езера и др.
Скоростта на разпространение на звука в атмосферата се влияе от температурата и влажността на въздуха, както и от вятъра (посока и сила). Средната скорост на звука в атмосферата е 333 m/s. С повишаване на температурата на въздуха скоростта на звука леко се увеличава. Промяната в абсолютната влажност на въздуха има по-малък ефект върху скоростта на звука.
Скоростта на звука във въздуха се определя по формулата на Лаплас:

(1),
където p - налягане; ? - плътност на въздуха; ° С? е топлинният капацитет на въздуха при постоянно налягане; cp е топлинният капацитет на въздуха при постоянен обем.
Използвайки уравнението на състоянието на газа, могат да се получат редица зависимости на скоростта на звука от метеорологичните параметри.
Скоростта на звука в сух въздух се определя по формулата:
c0 = 20,1 ?T m/s, (2)
но в влажен въздух:
c0 = 20,1 ?TV m/s, (3)
където TV = така наречената акустична виртуална температура, която се определя по формулата TV = T (1 + 0,275 e/p).
При промяна на температурата на въздуха с 1° скоростта на звука се променя с 0,61 m/s. Скоростта на звука зависи от стойността на съотношението e/p (отношението на влажността към налягането), но тази зависимост е малка и например, когато еластичността на водната пара е по-малка от 7 mm, пренебрегването й дава грешка в скоростта на звука, която не надвишава 0,5 m/sec.
При нормално налягане и T \u003d 0 ° C скоростта на звука в сух въздух е 333 m / s. Във влажен въздух скоростта на звука може да се определи по формулата:
c = 333 + 0,6t + 0,07e (4)
В температурния диапазон (t) от -20° до +30° тази формула дава грешка в скоростта на звука не повече от ± 0,5 m/s. От горните формули се вижда, че скоростта на звука се увеличава с повишаване на температурата и влажността.
Вятърът има силно влияние: скоростта на звука по посока на вятъра се увеличава, срещу вятъра намалява. Наличието на вятър в атмосферата кара звуковата вълна да се отклонява, създавайки впечатлението, че източникът на звук се е изместил. Скоростта на звука в този случай (c1) се определя от израза:
c1 = c + U cos ?, (1)
където U е скоростта на вятъра; ? е ъгълът между посоката на вятъра в точката на наблюдение и наблюдаваната посока на пристигането на звука.
Познаването на скоростта на разпространение на звука в атмосферата е голямо значениепри решаване на редица проблеми в изследването горни слоевеатмосфера чрез акустичен метод. Използвайки средната скорост на звука в атмосферата, можете да разберете разстоянието от вашето местоположение до мястото на гръмотевицата. За да направите това, трябва да определите броя на секундите между видимата светкавица на светкавицата и момента, в който пристигне звукът на гръмотевицата. След това трябва да умножите средната стойност на скоростта на звука в атмосферата - 333 m / s. за дадения брой секунди.

Колко бързо се разпространява звукът?

Скоростта на звука зависи от средата, в която се разпространява. Например звукът се разпространява във въздуха със скорост 344 m/s. Но ако температурата, налягането, влажността на въздуха варират, скоростта на звука също се променя. Звукът преминава през течна среда, като вода, със скорост около 1500 m/s. Звукът се разпространява още по-бързо през твърди тела: 2500 m/s през твърди пластмаси, 5000 m/s през стомана и около 6000 m/s през някои видове стъкло.

Може ли звукът да отскача от обекти по същия начин, както светлината?

Звуковите вълни се отразяват от твърди, гладки и плоски повърхности (стени, врати) като светлинни вълниот огледалото. Ако между връщането на ехото (или отражението) и изпращането на оригиналния звук изминат повече от 0,1 s, тогава ги чуваме като два отделни звука, отразеният звук се нарича ехо. Ако разликата във времето между пристигането на отразеното ехо и изпращането на звука е по-малка, тогава те се смесват. Което увеличава общата продължителност на звука. Това явление е известно като реверберация.

Специалните звукопоглъщащи помещения са изцяло покрити отвътре меки материалиопределена текстура. Стените, таваните и подовете улавят почти цялата звукова енергия и отраженията на звука не се появяват под формата на ехо или реверберация. Такива стаи се наричат ​​глухи стаи: всички звуци в тях са заглушени.

Ловните китове, като китовете белуга, издават акустични щракания, подобни на тези, които изпращат прилеп. Тези импулси се отразяват като ехо, информирайки кита за близки обекти.

Да измерим звука

Скорост според числото на Мах

Някои самолети могат да летят по-бързо от скоростта на звука, по скалата на Мах това съответства на числото M = 1. Свръхзвуков самолет по време на полет образува вълна на компресия, която се разпространява като силен, дълбок туп, известен като звуков бум (когато самолетът пробие звуковата бариера). Ударът би могъл да издаде присъствието на стелт самолет, бомбардировач B-2, така че такива самолети обикновено летят със скорост малко по-малка от числото M=1.

Крейсерската скорост на B-2 е приблизително 700 км/ч.

Число на Мах

Скоростта на звука може да се опише по скалата на Мах. Мерната единица се представя като сравнително число на отношението на скоростта на самолета към скоростта на звука при определени условия. Числото на Мах е кръстено на австрийския учен Ернст Мах (1838-1916).

Скоростта на звука във въздуха при температура 20 градуса и стандартно атмосферно налягане на морското равнище съответства на приблизително 1238 км/ч. Следователно обект, който се движи също толкова бързо, има скорост M = 1 в числа на Мах.

Много високо над земята, където температурата и налягането на въздуха са по-ниски от обикновено, скоростта на звука е 1062 км/ч. Следователно число на Мах от 1,5 там съответства на 1593 км/ч.

10 dB - най-тихите звуци, които ушите ни могат да доловят, като тиктакането на часовник

20 dB - шепот

40 dB - спокоен разговор на хората наоколо

50 dB - Телевизор или радио в средния звуков диапазон

60 dB - доста силен разговор

70 dB - домакински уреди: прахосмукачка или домашен процесор

80 dB - влак минава покрай гарата

100 dB - много шумна машина или ударен чук за пътни работи

120 dB - излитане на реактивен самолет

По скалата на децибелите всеки 10dB прекъсване означава 10x увеличение на енергията. Например 60 dB е десет пъти по-мощен от 50 dB.

Първите опити за разбиране на произхода на звука са направени преди повече от две хиляди години. В трудовете на древногръцките учени Птолемей и Аристотел са направени правилни предположения, че звукът се генерира от вибрации на тялото. Освен това Аристотел твърди, че скоростта на звука е измерима и крайна. Разбира се, в Древна Гърцияне е имало технически възможности за точни измервания, така че скоростта на звука е била измерена относително точно едва през седемнадесети век. За целта е използван метод за сравнение между времето за откриване на светкавица от изстрел и времето, след което звукът е достигнал до наблюдателя. В резултат на многобройни експерименти учените стигнаха до извода, че звукът се разпространява във въздуха със скорост от 350 до 400 метра в секунда.

Изследователите също установиха, че стойността на скоростта на разпространение на звуковите вълни в определена среда директно зависи от плътността и температурата на тази среда. Така че отколкото разреден въздух, толкова по-бавно преминава звукът през него. Освен това скоростта на звука е толкова по-висока, колкото по-висока е температурата на средата. Към днешна дата е общоприето, че скоростта на разпространение на звуковите вълни във въздуха при нормални условия (на морското равнище при температура 0ºС) е 331 метра в секунда.

Число на Мах

AT истинския животСкоростта на звука е важен параметър в авиацията, но на тези височини, където обикновено е , характеристиките на околната среда са много различни от нормалните. Ето защо авиацията използва универсално понятие, наречено число на Мах, кръстено на австриеца Ернст Мах. Това число е скоростта на обекта, разделена на локалната скорост на звука. Очевидно е, че колкото по-ниска е скоростта на звука в среда със специфични параметри, толкова по-голямо ще бъде числото на Мах, дори ако скоростта на самия обект не се променя.

Практическото приложение на това число се дължи на факта, че движението със скорост, по-висока от скоростта на звука, се различава значително от движението с дозвукови скорости. Основно това се дължи на промяна в аеродинамиката на самолета, влошаване на неговата управляемост, нагряване на корпуса, както и устойчивост на вълни. Тези ефекти се наблюдават само когато числото на Мах надвишава единица, тоест обектът преодолява звуковата бариера. В момента има формули, които ви позволяват да изчислите скоростта на звука за определени параметри на въздуха и следователно да изчислите числото на Мах за различни условия.

Подобни видеа

източници:

• Честота на вибрация на камертона 440 Hz

Различни физически обекти, които са в твърдо, течно или газообразно състояние, могат да звучат. Например вибрираща струна или въздушна струя, издухана от тръба.

Звукът е вълновите вибрации на средата, възприемани от човешкото ухо. Източниците са различни физически тела. Вибрацията на източника възбужда вибрации в околен святкоито се разпространяват в космоса. Звуковите вълни заемат честотен диапазон от 20 Hz до 20 kHz, между инфразвука и ултразвука.

Механичните вибрации възникват само там, където има еластичност, следователно звукът не може да се разпространява във вакуум. Скоростта на звука е скоростта, с която звуковата вълна преминава през околностите на източника на звук.

Звукът преминава през газообразни среди, течности и твърди тела с различни скорости. Звукът се разпространява по-бързо във водата, отколкото във въздуха. В твърди тела скоростта на звука е по-висока, отколкото в. За всяко вещество скоростта на разпространение на звука е постоянна. Тези. скоростта на звука зависи от плътността и еластичността на средата, а не от честотата на звуковата вълна и нейната амплитуда.

Звукът може да заобиколи срещаното препятствие. Това се нарича дифракция. Ниските звуци имат по-добра дифракция от високите звуци. Тук

Скорост на звука- скоростта на разпространение на еластичните вълни в средата: като надлъжна (в газове, течности или твърди вещества), и напречно, срязване (в твърди тела). Определя се от еластичността и плътността на средата: като правило скоростта на звука в газовете е по-малка, отколкото в течностите, а в течностите е по-малка, отколкото в твърдите тела. Също така в газовете скоростта на звука зависи от температурата на даденото вещество, в монокристалите - от посоката на разпространение на вълната. Обикновено не зависи от честотата на вълната и нейната амплитуда; в случаите, когато скоростта на звука зависи от честотата, се говори за дисперсия на звука.

Енциклопедичен YouTube

• 1 / 5

  Още сред древните автори има индикация, че звукът се дължи на колебателното движение на тялото (Птолемей, Евклид). Аристотел отбелязва, че скоростта на звука има крайна величина и правилно си представя природата на звука. Опитите за експериментално определяне на скоростта на звука датират от първата половина на 17 век. Ф. Бейкън в "Нов органон" посочи възможността за определяне на скоростта на звука чрез сравняване на интервалите от време между проблясък на светлина и звук от изстрел. Използвайки този метод, различни изследователи (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, група учени от Парижката академия на науките - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Römer) определят стойността на скоростта на звука (в зависимост от условията на експеримента, 350-390 m/s). Теоретично въпросът за скоростта на звука е разгледан за първи път от И. Нютон в неговите "Принципи". Нютон всъщност приема изотермичното разпространение на звука, така че получава подценка. Правилната теоретична стойност за скоростта на звука е получена от Лаплас.

  Изчисляване на скоростта в течност и газ

  Скоростта на звука в хомогенна течност (или газ) се изчислява по формулата:

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

  В частични производни:

  c = − v 2 (∂ p ∂ v) s = − v 2 C p C v (∂ p ∂ v) T (\displaystyle c=(\sqrt (-v^(2)\left((\frac (\ частично p)(\partial v))\right)_(s)))=(\sqrt (-v^(2)(\frac (C_(p))(C_(v)))\left((\ frac (\partial p)(\partial v))\right)_(T))))

  където β (\displaystyle \beta )- адиабатна свиваемост на средата; ρ (\displaystyle \rho )- плътност; C p (\displaystyle C_(p))- изобарен топлинен капацитет; C v (\displaystyle C_(v))- изохорна топлинна мощност; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- налягане, специфичен обем и температура на средата; s (\displaystyle s)- ентропия на средата.

  За разтвори и други сложни физико-химични системи (напр. природен газ, масло) тези изрази могат да дадат много голяма грешка.

  Твърди вещества

  При наличието на интерфейси еластичната енергия може да се пренася чрез повърхностни вълни различни видове, чиято скорост се различава от скоростта на надлъжните и напречните вълни. Енергията на тези трептения може да бъде многократно по-голяма от енергията на обемните вълни.