Propagarea undelor sonore. Caracteristici ale propagării și radiației sunetului în apă

Paznicul a notat timpul scurs între apariția blițului și momentul în care s-a auzit sunetul. Timpul necesar luminii pentru a parcurge această distanță a fost neglijat. Pentru a elimina în cea mai mare măsură influența vântului, erau câte un tun și un observator de fiecare parte, iar fiecare tun trăgea cam în același timp.

Valoarea medie a două măsurători de timp a fost luată și pe baza acesteia . Sa dovedit a fi aproximativ egal cu 340 ms -1. Marele dezavantaj al acestei metode de măsurare a fost că pistolul nu era întotdeauna la îndemână!

Mulți examinați descriu o metodă similară. Un student stă pe o parte a terenului de fotbal cu un pistol de start, iar celălalt stă de cealaltă parte cu un cronometru. Distanța dintre ele este măsurată cu atenție cu o bandă de măsurare. Elevul pornește cronometrul când vede fum care iese din butoi și îl oprește când aude sunetul. La fel se procedează atunci când schimbă locurile pentru a compensa efectul vântului. Apoi se determină timpul mediu.

Deoarece sunetul se deplasează cu o viteză de 340 ms -1, cronometrul nu va fi, cel mai probabil, suficient de precis. Este de preferat să funcționeze în centisecunde sau milisecunde.

Măsurarea vitezei sunetului cu ecou

Când se produce un sunet scurt și ascuțit, cum ar fi un pop, impulsul undei poate fi reflectat de un obstacol mare, cum ar fi un perete, și poate fi auzit de observator. Acest impuls reflectat se numește ecou. Imaginați-vă că un bărbat stă la 50 de metri de perete și produce un bumbac. Când se aude ecoul, sunetul a parcurs 100 m. Măsurarea acestui interval cu un cronometru nu va fi suficient de precisă. Cu toate acestea, dacă a doua persoană ține cronometrul și prima bate din palme, atunci timpul pentru un număr mare de sunete eco poate fi obținut cu suficientă precizie.

Să presupunem că distanța la care persoana care bate din palme se află în fața peretelui este de 50 m, iar intervalul de timp dintre prima și suta și prima bătaie din palme este de 30 de secunde, atunci:

viteza sunetului= distanta parcursa / timpul unei palme = 100m: 30 / 100 s = 333 ms -1

Măsurarea vitezei sunetului cu un osciloscop

O modalitate mai complexă de a măsura direct viteza sunetului este utilizarea unui osciloscop. Difuzorul emite impulsuri la intervale regulate, iar acestea sunt înregistrate de un osciloscop cu raze catodice (vezi figura). Când un impuls este recepționat de microfon, acesta va fi preluat și de osciloscop. Dacă sunt cunoscute caracteristicile de sincronizare ale osciloscopului, atunci intervalul de timp dintre două impulsuri poate fi găsit.

Se măsoară distanța dintre difuzor și microfon. Viteza sunetului poate fi găsită din formulă viteza = distanta / timp.

Viteza sunetului în diferite medii

Viteza sunetului este mai mare în solide decât în ​​lichide și mai rapidă în lichide decât în ​​gaze. Experimentele anterioare pe lacul Geneva au arătat că viteza sunetului în apă este mult mai mare decât în ​​aer. În apa dulce, viteza sunetului este de 1410 ms -1, în apa de mare - 1540 ms -1. În fier, viteza sunetului este de aproximativ 5000 ms -1.

Prin trimiterea de semnale sonore și notând intervalul de timp înainte de sosirea semnalului reflectat (eco), este posibil să se determine adâncimea mării și locația bancurilor de pești. În timpul războiului, sondele de înaltă frecvență au fost folosite pentru a detecta minele. Liliecii în zbor folosesc o formă specială de ecou pentru a detecta obstacolele. Liliacul emite un sunet de înaltă frecvență care sare de un obiect în calea sa. Mouse-ul aude ecoul, localizează obiectul și îl evită.

Viteza sunetului în aer depinde de condițiile atmosferice. Viteza sunetului este proporțională cu rădăcina pătrată a presiunii împărțită la densitate. Schimbările de presiune nu afectează viteza sunetului în aer. Acest lucru se datorează faptului că o creștere a presiunii implică o creștere corespunzătoare a densității și raportul dintre presiune și densitate rămâne constant.

Viteza sunetului în aer (ca în orice gaz) este afectată de schimbările de temperatură. Legile pentru gaze indică faptul că raportul dintre presiune și densitate este proporțional cu . Deci viteza sunetului este proporțională cu √T. Bariera fonică este mai ușor de spart la altitudini mai mari, deoarece temperatura este mai scăzută acolo.

Viteza sunetului este afectată de schimbările de umiditate. Densitatea vaporilor de apă este mai mică decât densitatea aerului uscat la aceeași presiune. Noaptea, când umiditatea crește, sunetul circulă mai repede. Sunetele se aud mai clar într-o noapte liniștită cu ceață.

Acest lucru se datorează parțial umidității ridicate și, parțial, datorită faptului că în aceste condiții există de obicei o inversare a temperaturii, în care sunetele sunt refractate în așa fel încât să nu se împrăștie.

Articolul are în vedere caracteristicile fenomenelor sonore din atmosferă: viteza de propagare a sunetului în aer, efectul vântului și al ceții asupra propagării sunetului.
Vibrațiile longitudinale ale particulelor de materie, care se propagă prin mediul material (prin aer, apă și solide) și ajung la urechea umană, provoacă senzații numite sunet.
Aerul atmosferic conține întotdeauna unde sonore de diferite frecvențe și puteri. Unele dintre aceste valuri sunt create artificial de om, iar unele sunete sunt de origine meteorologică.
Sunetele de origine meteorologică includ tunetul, urletul vântului, zumzetul firelor, zgomotul și foșnetul copacilor, „vocea” mării, sunetele precipitațiilor solide și lichide care cad pe suprafața pământului, sunetele de surf-ul de pe coasta mărilor și lacurilor și altele.
Viteza de propagare a sunetului în atmosferă este afectată de temperatura și umiditatea aerului, precum și de vânt (direcția și puterea acestuia). Viteza medie a sunetului în atmosferă este de 333 m/s. Pe măsură ce temperatura aerului crește, viteza sunetului crește ușor. O modificare a umidității absolute a aerului are un efect mai mic asupra vitezei sunetului.
Viteza sunetului în aer este determinată de formula lui Laplace:

(1),
unde p - presiune; ? - densitatea aerului; c? este capacitatea termică a aerului la presiune constantă; cp este capacitatea termică a aerului la volum constant.
Folosind ecuația de stare a gazului, se pot obține o serie de dependențe ale vitezei sunetului de parametrii meteorologici.
Viteza sunetului în aer uscat este determinată de formula:
c0 = 20,1 ?T m/s, (2)
și în aer umed:
c0 = 20,1 ?TV m/s, (3)
unde TV = așa-numita temperatură acustică virtuală, care este determinată de formula TV = T (1 + 0,275 e/p).
Când temperatura aerului se modifică cu 1°, viteza sunetului se modifică cu 0,61 m/s. Viteza sunetului depinde de valoarea raportului e/p (raportul dintre umiditate și presiune), dar această dependență este mică și, de exemplu, atunci când elasticitatea vaporilor de apă este mai mică de 7 mm, neglijarea acesteia dă o eroare în viteza sunetului care nu depășește 0,5 m/sec.
La presiune normală și T \u003d 0 ° C, viteza sunetului în aer uscat este de 333 m / s. În aer umed, viteza sunetului poate fi determinată prin formula:
c = 333 + 0,6t + 0,07e (4)
În intervalul de temperatură (t) de la -20° la +30°, această formulă dă o eroare în viteza sunetului de cel mult ± 0,5 m/s. Din formulele de mai sus se poate observa că viteza sunetului crește odată cu creșterea temperaturii și umidității.
Vântul are o influență puternică: viteza sunetului în direcția vântului crește, împotriva vântului scade. Prezența vântului în atmosferă face ca undea sonoră să se deplaseze, dând impresia că sursa sonoră s-a deplasat. Viteza sunetului în acest caz (c1) este determinată de expresia:
c1 = c + U cos ?, (1)
unde U este viteza vântului; ? este unghiul dintre direcția vântului la punctul de observație și direcția observată de sosire a sunetului.
Cunoașterea vitezei de propagare a sunetului în atmosferă este de mare importanță în rezolvarea unui număr de probleme în studierea straturilor superioare ale atmosferei prin metoda acustică. Folosind viteza medie a sunetului în atmosferă, puteți afla distanța de la locația dvs. până la locul tunetului. Pentru a face acest lucru, trebuie să determinați numărul de secunde dintre fulgerul vizibil și momentul în care sosește sunetul tunetului. Apoi, trebuie să înmulțiți valoarea medie a vitezei sunetului în atmosferă - 333 m / s. pentru numărul de secunde dat.

Cât de repede călătorește sunetul?

Viteza sunetului depinde de mediul în care se propagă. De exemplu, sunetul circulă în aer cu o viteză de 344 m/s. Cu toate acestea, dacă temperatura, presiunea, umiditatea aerului variază, atunci se schimbă și viteza sunetului. Sunetul circulă printr-un mediu lichid, cum ar fi apa, cu o viteză de aproximativ 1500 m/s. Sunetul se deplasează și mai repede prin solide: 2.500 m/s prin materiale plastice dure, 5.000 m/s prin oțel și aproximativ 6.000 m/s prin unele tipuri de sticlă.

Poate sunetul să sară de obiecte în același mod în care poate lumina?

Undele sonore se învârte pe suprafețe dure, netede și plane (pereți, uși) precum undele luminoase rind pe o oglindă. Dacă trec mai mult de 0,1 s între revenirea ecoului (sau reflexia) și trimiterea sunetului original, atunci le auzim ca două sunete separate, sunetul reflectat se numește ecou. Dacă diferența de timp dintre sosirea ecoului reflectat și transmiterea sunetului este mai mică, atunci acestea sunt amestecate. Ceea ce mărește durata totală a sunetului. Acest fenomen este cunoscut sub numele de reverberație.

Camerele speciale fonoabsorbante sunt complet acoperite din interior cu materiale moi, cu o anumită textură. Pereții, tavanele și podelele captează aproape toată energia sonoră, iar reflexiile sonore nu apar sub forma unui ecou sau a unei reverberații. Astfel de camere se numesc camere surde: toate sunetele din ele sunt înăbușite.

Balenele de vânătoare, cum ar fi balenele beluga, emit clicuri acustice similare cu cele trimise de un liliac. Aceste impulsuri sunt reflectate ca un ecou, ​​informând balena despre obiectele din apropiere.

Să măsurăm sunetul

Viteza in functie de numarul Mach

Unele avioane pot zbura mai repede decât viteza sunetului, pe scara Mach corespunde numărului M = 1. O aeronavă supersonică în zbor formează o undă de compresie care se propagă ca o lovitură puternică și profundă cunoscută sub numele de boom sonic (când aeronava sparge bariera sunetului). Lovitura ar fi putut trăda prezența unui avion stealth, un bombardier B-2, astfel încât astfel de aeronave zboară de obicei cu o viteză puțin mai mică decât numărul M=1.

Viteza de croazieră a B-2 este de aproximativ 700 km/h.

Numărul Mach

Viteza sunetului poate fi descrisă pe scara Mach. Unitatea de măsură este reprezentată ca un număr comparativ al raportului dintre viteza aeronavei și viteza sunetului în anumite condiții. Numărul Mach este numit după omul de știință austriac Ernst Mach (1838-1916).

Viteza sunetului în aer la o temperatură de 20 de grade și presiunea aerului standard la nivelul mării corespunde cu aproximativ 1238 km/h. Prin urmare, un obiect care se mișcă la fel de repede are o viteză M = 1 în numere Mach.

Foarte sus deasupra solului, unde temperatura și presiunea aerului sunt mai mici decât de obicei, viteza sunetului este de 1062 km/h. Prin urmare, un număr Mach de 1,5 acolo corespunde la 1593 km/h.

10 dB - cele mai silențioase sunete pe care urechile noastre le pot capta, cum ar fi ticăitul unui ceas

20 dB - șoaptă

40 dB - conversație calmă a oamenilor din jur

50 dB - TV sau radio în intervalul mediu audio

60 dB - o conversație destul de tare

70 dB - aparate electrocasnice: aspirator sau procesor de casa

80 dB - tren care trece pe lângă gară

100 dB - mașină sau ciocan pneumatic foarte zgomotos pentru lucrări rutiere

120 dB - decolarea avionului cu reactie

Pe scara decibelilor, fiecare pauză de 10 dB înseamnă o creștere de 10 ori a energiei. De exemplu, 60 dB este de zece ori mai puternic decât 50 dB.

Primele încercări de a înțelege originea sunetului au fost făcute acum mai bine de două mii de ani. În scrierile oamenilor de știință greci antici Ptolemeu și Aristotel, se fac presupuneri corecte că sunetul este generat de vibrațiile corpului. Mai mult, Aristotel a susținut că viteza sunetului este măsurabilă și finită. Desigur, în Grecia antică nu existau posibilități tehnice pentru măsurători precise, așa că viteza sunetului a fost măsurată relativ precis abia în secolul al XVII-lea. Pentru aceasta s-a folosit o metodă de comparație între timpul de detectare a unui bliț dintr-o fotografie și timpul după care sunetul a ajuns la observator. În urma numeroaselor experimente, oamenii de știință au ajuns la concluzia că sunetul se propagă în aer cu o viteză de 350 până la 400 de metri pe secundă.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că valoarea vitezei de propagare a undelor sonore într-un anumit mediu depinde direct de densitatea și temperatura acestui mediu. Deci, cu cât aerul este mai rar, cu atât sunetul circulă mai lent prin el. În plus, viteza sunetului este mai mare, cu atât temperatura mediului este mai mare. Până în prezent, este în general acceptat că viteza de propagare a undelor sonore în aer în condiții normale (la nivelul mării la o temperatură de 0ºС) este de 331 de metri pe secundă.

Numărul Mach

În viața reală, viteza sunetului este un parametru semnificativ în aviație, dar la acele altitudini, unde de obicei, caracteristicile mediului sunt foarte diferite de cele normale. De aceea, aviația folosește un concept universal numit număr Mach, numit după austriacul Ernst Mach. Acest număr este viteza obiectului împărțită la viteza locală a sunetului. Evident, cu cât viteza sunetului este mai mică într-un mediu cu parametri specifici, cu atât numărul Mach va fi mai mare, chiar dacă viteza obiectului în sine nu se modifică.

Aplicarea practică a acestui număr se datorează faptului că mișcarea la o viteză mai mare decât viteza sunetului diferă semnificativ de mișcarea la viteze subsonice. Practic, acest lucru se datorează modificării aerodinamicii aeronavei, deteriorării controlabilității sale, încălzirii carenei, precum și rezistenței la valuri. Aceste efecte sunt observate numai atunci când numărul Mach depășește unu, adică obiectul depășește bariera sunetului. În prezent, există formule care vă permit să calculați viteza sunetului pentru anumiți parametri ai aerului și, prin urmare, să calculați numărul Mach pentru diferite condiții.

Videoclipuri similare

Surse:

• Frecvența de vibrație a diapazonului 440 Hz

Pot suna diferite obiecte fizice care se află în stare solidă, lichidă sau gazoasă. De exemplu, o sfoară vibrantă sau un jet de aer suflat dintr-o țeavă.

Sunetul reprezintă vibrațiile unde mediul perceput de urechea umană. Sursele sunt diverse corpuri fizice. Vibrația sursei excită vibrații în mediu, care se propagă în spațiu. Undele sonore ocupă un interval de frecvență de la 20 Hz la 20 kHz, între infrasunete și ultrasunete.

Vibrațiile mecanice apar numai acolo unde există elastic, prin urmare, sunetul nu se poate propaga în vid. Viteza sunetului este viteza cu care o undă sonoră se deplasează prin împrejurimile sursei de sunet.

Sunetul circulă prin medii gazoase, lichide și solide la viteze diferite. Sunetul circulă mai repede în apă decât în ​​aer. La solide, viteza sunetului este mai mare decât în. Pentru fiecare substanță, viteza de propagare a sunetului este constantă. Acestea. viteza sunetului depinde de densitatea și elasticitatea mediului, și nu de frecvența undei sonore și de amplitudinea acesteia.

Sunetul poate ocoli obstacolul întâlnit. Aceasta se numește difracție. Sunetele joase au o difracție mai bună decât sunetele înalte. Aici

Viteza sunetului- viteza de propagare a undelor elastice într-un mediu: atât longitudinal (în gaze, lichide sau solide), cât și transversal, forfecare (în solide). Este determinată de elasticitatea și densitatea mediului: de regulă, viteza sunetului în gaze este mai mică decât în ​​lichide, iar în lichide este mai mică decât în ​​solide. De asemenea, în gaze, viteza sunetului depinde de temperatura substanței date, în monocristale - de direcția de propagare a undei. De obicei nu depinde de frecvența undei și de amplitudinea acesteia; în cazurile în care viteza sunetului depinde de frecvență, se vorbește despre dispersia sunetului.

YouTube enciclopedic

• 1 / 5

  Deja printre autorii antici există un indiciu că sunetul se datorează mișcării oscilatorii a corpului (Ptolemeu, Euclid). Aristotel notează că viteza sunetului are o mărime finită și își imaginează corect natura sunetului. Încercările de a determina experimental viteza sunetului datează din prima jumătate a secolului al XVII-lea. F. Bacon în „New Organon” a subliniat posibilitatea de a determina viteza sunetului prin compararea intervalelor de timp dintre un fulger de lumină și sunetul unei împușcături. Folosind această metodă, diverși cercetători (M. Mersenne, P. Gassendi, W. Derham, un grup de oameni de știință de la Academia de Științe din Paris - D. Cassini, J. Picard, Huygens, Römer) au determinat valoarea vitezei sunetului (în funcție de condițiile experimentale, 350- 390 m/s). Teoretic, problema vitezei sunetului a fost luată în considerare pentru prima dată de I. Newton în „Principiile” sale. Newton a presupus de fapt propagarea izotermă a sunetului, așa că a primit o subestimare. Valoarea teoretică corectă pentru viteza sunetului a fost obținută de Laplace.

  Calculul vitezei în lichid și gaz

  Viteza sunetului într-un lichid (sau gaz) omogen se calculează prin formula:

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

  În derivate parțiale:

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

  Unde β (\displaystyle \beta)- compresibilitatea adiabatică a mediului; ρ (\displaystyle \rho )- densitate; C p (\displaystyle C_(p))- capacitate termică izobară; C v (\displaystyle C_(v))- capacitate termică izocoră; p (\displaystyle p), v (\displaystyle v), T (\displaystyle T)- presiunea, volumul specific si temperatura mediului; s (\displaystyle s)- entropia mediului.

  Pentru soluții și alte sisteme fizice și chimice complexe (de exemplu, gaze naturale, petrol), aceste expresii pot da o eroare foarte mare.

  Solide

  În prezența interfețelor, energia elastică poate fi transferată prin unde de suprafață de diferite tipuri, a căror viteză diferă de viteza undelor longitudinale și transversale. Energia acestor oscilații poate fi de multe ori mai mare decât energia undelor masive.